Сколько воды в секции биметаллического радиатора: как посчитать и на что он влияет? ➤ Рекомендации лучших экспертов интернет-магазина TEPLOVOZ.UA

Объем воды и другие характеристики радиаторов отопления

Содержание

• 1 Зачем знать объем теплоносителя в батареи
• 2 Способы расчета объема
  • 2.1 Определяем объем с помощью документации
  • 2.2 Усредненные значения объема
  • 2.3 Универсальный метод

Определение объема воды или другого теплоносителя в радиаторе — важный этап проектирования отопительной системы собственного загородного дома. 

Зачем знать объем теплоносителя в батареи

Расчет объема теплоносителя в батарее делают для того, чтобы:

• выбрать правильное крепление радиатора. Оно должно выдерживать не только вес изделия, но и вес воды, которая заполняет все внутреннее пространство. Вес жидости равен объему;
• выбрать котел нужной мощности. Если он будет слабым, он будет создавать малое давление, и вода будет двигаться медленно;
• выбрать расширительный бак необходимого объема. Многие отказываются от этого элемента. Однако его лучше использовать, поскольку он компенсирует давление, созданное увеличенным в объеме нагретым теплоносителем. Например, при нагревании объем жидкости растет на 4%. Если ей некуда деться, то давление на батареи и трубы растет. Рано или поздно тепловое расширение «порадует» протечкой;
• определить общую потребность в теплоносителе. Для этого нужно учесть внутренний объем труб с малым гидравлическим сопротивлением, а также объем нагревательного котла, способного создать нужное давление;
• выдержать верную концентрацию антифриза. Это касается тех случаев, когда вода будет смешиваться с антифризом. Такое делать можно, и в некоторых случаях образованная жидкость для радиаторов отопления замерзает при более низких температурах, чем 100% антифриз;
• подобрать тип циркуляции. Теплоноситель может двигаться естественным способом (сверху вниз) или перемещаться под давлением, созданным насосом. Естественный тип циркуляции выбирают в случае батарей с большим внутренним объемом и малым сопротивлением нагретой жидкости. Что касается второго типа, то размер и вес батарей значения не имеет.

Способы расчета объема

Величину внутреннего пространства батарей можно определить двумя способами:

1. Заглянуть в техническую документацию и найти среди указанных характеристик нужную цифру. Далее необходимо провести простые математические операции.
2. Залить воду и измерить ее объем или вес.

Определяем объем с помощью документации

Начальные цифры можно взять, как из документации с техническими характеристиками, так и из специальных составленных производителями таблиц. В обоих случаях указывается определенный показатель, которому соответствует такой объем воды, который может уместиться в погонном метре радиатора.

Этим показателем является межосевое расстояние. Под ним понимают расстояние, которое разделяет верхний и нижний коллекторы. Многие производители выпускают батареи, соблюдая стандартные значения межосевого расстояния. Чаще всего оно составляет 30 и 50 см.

Расчет объема воды предусматривает такие шаги:

1. Определение длины панельных радиаторов или количества секций алюминиевых или биметаллических батарей с гладкими внутренними стенками (такие стенки позволяют снизить гидравлическое сопротивление).
2. Определение объема воды на погонный метр. Для этого в таблице смотрят на межосевое расстояние. Напротив его величины ищут объем воды. Если устройство для отопления секционное, то узнают, сколько воды может поместиться внутри одной секции.
3. Умножение полученных величин.

Этот метод сложно использовать для трубчатых радиаторов и батарей, выполненных по индивидуальным заказам. Это потому, что для первых устройств производители используют различные, прошедшие проверку на ГОСТ, трубы. Они имеют разные диаметры, толщину стенок и длину. Поэтому таблиц с усредненными значениями объема и расстояния между коллекторами нет. На помощь может прийти документация с техническими характеристиками и составленная производителем таблица. В ней кроме межосевого расстояния также может указываться сопротивление нагретой жидкости и вес устройства с этой жидкостью.

Для устройства отопления, изготовленного по желанию клиента, может и не быть технической документации с очень детальными характеристиками. Ведь оно выпускается только в малой партии, и нет смысла высчитывать все характеристики, включая объем и сопротивление воде.

Усредненные значения объема

Для примера взяты радиаторы с межосевым расстоянием 500 мм. Объем таков:

• 1,7 л на каждую секцию рассчитанного на большое давление чугунного радиатора ЧМ-140;
• 1 л на каждую секцию этой же батареи нового образца;
• 0,25 л на каждые 10 см панельного устройства типа 11. Для конструкций с двумя и тремя рассчитанными на небольшое давление панелями этот показатель составляет 0,5 и 0,75 л на 10 см;
• 0,45 л на каждую легкую по весу секцию батарей из алюминия;
• 0,25 л на одну секцию биметаллического радиатора.

Универсальный метод

Он подходит для любого типа нагревательного устройства с любым межосевым расстоянием.

Измерение осуществляют так:

1. Устанавливают заглушки на два нижних отверстия.
2. Наливают воду до тех пор, пока она не начнет вытекать из второго свободного отверстия.
3. Ставят заглушку на этом отверстии и медленно заливают воду до тех пор, пока вся батарея не будет полностью заполнена. Во время наливания подсчитывают количество вылитых емкостей. Это можно делать и во время спускания воды из радиатора. Придется спускать воду в ведро или что-то другое и потом ее выливать.
4. Умножение количества вылитых емкостей на их объем. Конечная цифра является объемом батареи.

Биметаллические радиаторы отопления: размеры и виды

Современный рынок предлагает 4 вида радиаторов: чугунные, алюминиевые, стальные и биметаллические. Такие батареи долговечны, у них хорошая теплоотдача и привлекательный дизайн. Когда выбираете модель, учитывайте размеры биметаллических радиаторов, их энергоемкость и количество. Но, обо всем подробней.

Радиатор биметаллический

Устройство

Каждый из видов радиаторов обладает своими достоинствами. Чугунный радиатор долговечный, долго удерживает тепло, но имеет не очень привлекательный вид. Алюминиевый выглядит эстетично, имеет высокий уровень теплоотдачи, но недолговечен. Стальная батарея долговечна, но не хуже, чем предыдущие модели удерживает тепло и требует дополнительного декора, если используется в жилом помещении.

Среди разных видов батарей биметаллические радиаторы обладают несравненными преимуществами. Они созданы из стали и алюминия. От стали они получили прочность и надежность, от алюминия – привлекательный внешний вид. За счет гармоничного сочетания качеств обоих металлов, биметаллическая батарея может долгое время сохранять тепло.

Особенности конструкции

Вода содержит большое количество примесей. Контактируя с алюминием, они вызывают коррозию. За несколько лет использования эти процессы приведут к протеканию прибора.

Особенность конструкции этих радиаторов заключается в наличии внутреннего сердечника из нержавеющей стали, который снаружи окружен алюминиевым сплавом. Так вода не контактирует с алюминием, что значительно продлевает срок службы системы.

Есть два варианта изготовления:

1. Псевдобиметалл. В этом случае стальная сердцевина расположена только внутри вертикальных каналов. Так алюминий защищен не полностью, а лишь в наиболее слабых местах. Эти модели дешевле, их стандартный срок службы составляет до 10 лет, если они используются в системах с высоким давлением воды (например, в городских квартирах).
2. Биметалл. Обладает цельным внутренним корпусом из стали, который поверх заливается алюминиевым сплавом под давлением. Здесь алюминий защищен со всех сторон. Это более дорогие модели и срок их службы при аналогичных условиях эксплуатации составляет до 30 лет.

Устройство биметаллической батареиСпособ изготовления напрямую влияет на объем воды в секции биметаллического радиатора. Если проводить сравнение с любой другой батарей, то объем одной секции здесь будет существенно ниже. Недостаток компенсируется наличием двух сплавов. В результате внутренний сердечник из стали не дает быстро остыть алюминиевой оболочке.

Есть разные способы соединения двух металлов. Предпочтительней, если алюминий залит поверх стали под давлением. Такая модель батареи прослужит дольше. Существует вариант, когда металлы соединяются между собой сваркой.

По техническому типу конструкции радиаторы могут быть:

• Разборными. Это значит, что с помощью радиаторного ключа можно открутить любое количество секций и прикрутить их к другому радиатору. Такой тип чаще устанавливается в частных домах с автономной системой отопления, где нет высокого давления воды.
• Неразборными. Радиатор монолитный, его нельзя раскрутить, обрезать, присоединить к другому. Отлично подойдет для использования в городской квартире, где всегда высокий уровень давления.

Размеры

Размер секций биметаллического радиатора определяется расстоянием от середины входного, до середины выходного отверстий. Сегодня изготавливают батареи с расстоянием между указанными отверстиями:

• 200 мм;
• 350 мм;
• 500 мм.

Чтобы подсчитать полные габариты биметаллических радиаторов отопления нужно к этому показателю добавить 8 сантиметров. Получаются размеры 28, 43 и 58 сантиметров.

Размеры биметаллических отопительных батарей

Перед выбором нужных габаритов батарей отопления следует помнить, что от пола до низа радиатора должно быть не меньше 12 см, а от его верха до выступающей части подоконника – не меньше 10 см. Иначе не будет достаточной циркуляции воздуха, что снизит эффективность теплоотдачи прибора.

Ширина секции находится в диапазоне от 80 до 90 мм. Толщина – от 80 до 120 мм. Высота, ширина и толщина влияют на энергетическую мощность батареи.

Емкость секции

Специфическая конструкция радиаторов обуславливает их довольно низкую вместимость. Это одновременно хорошо и плохо.

Маленькая емкость не требует большого количества теплоносителя (горячей воды), а значит, экономит воду и топливо, чтобы ее подогреть. Но чем меньше теплоносителя, тем быстрее остывает радиатор. Здесь быстрого остывания не происходит, так как между водой и алюминиевой поверхностью есть еще стальная оболочка, которая долго не остывает.

Соединение двух металлов

Маленькая емкость способствует быстрому загрязнению, закупориванию каналов при использовании некачественной воды. Чтобы решить эту проблему в частном доме устанавливается система очистки. Минимальное требование – установка двух фильтров: тонкой и грубой очистки.

Объем одной секции зависит от ее размера:

• при расстоянии между входным и выходным отверстиями 500 мм, вместимость секции будет составлять 0,2–0,3 литра;
• при расстоянии в 350 мм вместимость составит 0,15–0,2 литра;
• расстояние в 200 мм гарантирует объем в 0,1–0,16 литра.

Расчет количества секций

Объем и количество секций определяет тепловую мощность одного радиатора. Перед совершением покупки важно произвести расчет этой мощности, чтобы найти необходимое для помещения количество секций. Для этого используется любая из двух формул:

1. Общая. Когда расчет секций производится исходя из площади помещения. В среднем, на 10 м² требуется не менее 1 кВт энергии. Для подсчета используется формула N = S × 100/Q. Где N – это количество секций для помещения, S – площадь помещения в метрах квадратных, Q – энергетическая мощность секции. Энергетическая мощность указывается производителем на упаковке или на сопутствующих документах.

2. Попробуем рассчитать количество секций на помещение 25 м², при энергетической мощности секции 180 Вт. Получится: 25 × 100/180 = 13.88. После округления получаем 14 секций (округление необходимо производить в большую сторону). При ширине 8 сантиметров общая ширина радиатора будет составлять 112 сантиметров. В этом случае можно установить 2 радиатора каждый по 7 секций.

3. Подробная. Эта формула берет в расчет объем помещения в кубических метарах (м³). В среднем, на 1 кубометр пространства необходим 41 Вт энергии. Далее используют формулу N = S × 41/Q, где N – это количество секций для помещения, V – объем помещения в метрах кубических, Q – энергетическая мощность секции.

Типоразмеры радиаторов

Рассчитаем количество секций для обогрева помещения со следующими параметрами: длина 5 метров, ширина 3 метра, высота потолков 2,5 метра. Сначала необходимо найти площадь комнаты. Длину умножаем на ширину и получаем 15 м². Получившийся показатель умножаем на высоту потолков – получаем 37,5 м³. За мощность одной секции возьмем 180 Вт, тогда 37,5 × 41/180 = 8,54. Округляем в большую сторону и получаем 9 секций.

При расположении квартиры на первом или последнем этажах, в угловой квартире, в комнате с большими окнами или в доме с толщиной стен не более 25 сантиметров, необходимо к получившемуся параметру добавлять 10%.

Рекомендации по выбору

Подведем итоги. Для осуществления правильного выбора необходимо обращать внимание на все указанные характеристики:

• Конструкция. Для городской квартиры подойдет монолитная, полностью биметаллическая батарея, которая способна выдержать давление до 15 атмосфер и более (обычно в квартирах используется давление в районе 12 атмосфер, тогда как в частном доме рекомендуется устанавливать давление всего в одну атмосферу). Автономным отопительным системам подойдут более дешевые модели, так как в них нет высокого давления.
• Размер. Если расстояние между полом и подоконником не менее 80 сантиметров, следует выбирать самую высокую модель. Иначе придется брать радиатор поменьше, так, чтобы до пола было не менее 12 см, а до подоконника не менее 10 см.
• Емкость. Одно из основных свойств – довольно узкие проходы. По возможности обеспечьте хорошее качество воды, подаваемой в систему отопления.
• Расчет секций. Перед покупкой читайте описание модели для уточнения энергетической мощности. Расчет количества секций лучше производить, используя вторую (подробную) формулу, где необходимое количество тепла определяется исходя из объема помещения. Не забывайте добавлять 10% в случае значительных теплопотерь за счет внешних факторов.

Сегодня хорошо зарекомендовали себя биметаллические батареи от итальянских производителей Fondital и Global.

Видео по теме:

Как работают биметаллические термометры | Tameson.com

Рисунок 1: Биметаллические термометры

Биметаллический термометр — это устройство для измерения температуры. Он преобразует температуру среды в механическое перемещение с помощью биметаллической пластины. Биметаллическая полоса состоит из двух разных металлов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. Биметаллические термометры используются в бытовых приборах, таких как кондиционеры, духовки и промышленные устройства, такие как нагреватели, нагреватели, нефтеперерабатывающие заводы и т. д. Они представляют собой простой, надежный и экономичный способ измерения температуры.

• Биметаллический термометр с задним присоединением

• Нижнее соединение биметаллического термометра

• Аксессуары для биметаллических термометров

Содержание

• Конструкция и дизайн
• Преимущества и недостатки биметаллических термометров
• Типы биметаллических термометров
• Критерии выбора
• Калибровка биметаллического термометра
• Приложения

Биметаллический термометр работает на основе двух основных свойств металла:

1. Тепловое расширение металла
2. Коэффициент теплового расширения разных металлов различен при одной и той же температуре.

Основным компонентом биметаллического термометра является биметаллическая пластина. Биметаллическая полоса состоит из двух тонких полос из разных металлов, каждая из которых имеет разные коэффициенты теплового расширения. Тепловое расширение – это свойство металла изменять свою форму или объем при изменении температуры. Металлические полосы соединяются по длине сплавлением или клепкой. Полосы закреплены на одном конце и свободно перемещаются на другом конце.

Обычно используются два металла: сталь и медь, но также можно использовать сталь и латунь. Поскольку их тепловое расширение различно, длина этих металлов изменяется с разной скоростью при одной и той же температуре. Благодаря этому свойству при изменении температуры металлическая полоса с одной стороны расширяется, а с другой нет, что создает эффект изгиба. Это видно на рисунке 2.

При повышении температуры полоса будет поворачиваться в сторону металла с более низким температурным коэффициентом. При понижении температуры полоса изгибается в сторону металла, имеющего более высокий температурный коэффициент. Отклонение полосы указывает на изменение температуры. Это изгибающее движение связано с циферблатом термометра, отображающим температуру среды.

Калибровка является важным шагом для обеспечения правильного показания температуры.

Рисунок 2: Биметаллическая полоса: фиксированный конец (A), свободный конец (B), отклонение (C), биметаллическая полоса (D)

Преимущества и недостатки биметаллических термометров

К преимуществам биметаллических термометров относятся:

1. Простая и надежная конструкция
2. Дешевле других термометров
3. Они полностью механические и не требуют источника питания для работы.
4. Простота установки и обслуживания
5. Почти линейная реакция на изменение температуры
6. Подходит для широкого диапазона температур

Некоторые недостатки биметаллических термометров:

1. Их не рекомендуется использовать при очень высоких температурах.
2. Может потребоваться частая калибровка.
3. Может не давать точных показаний при низкой температуре.
4. Калибровка нарушается при грубом обращении

Типы биметаллических термометров

Существует два типа биметаллических термометров: биметаллический термометр со спиральной полосой и биметаллический термометр со спиральной полосой. Спираль и спиральные полоски используются, чтобы удерживать размер термометра в разумных пределах.

Биметаллический термометр со спиральной полосой

Как следует из названия, биметаллическая полоска со спиральной формой используется для измерения температуры в термометрах этого типа. Указатель соединен через вал со свободным концом планки. Лента спирально намотана внутри стержня, как показано на рисунке 3. По мере повышения температуры спиральная полоса ощущает изменение температуры. Металл полосы с более высоким коэффициентом теплового расширения расширяется и наматывается вдоль штока, вращая вал. Это вращение приводит к перемещению указателя на циферблате, что указывает на температуру носителя. При понижении температуры металл с меньшим коэффициентом теплового расширения сжимается и вращает вал. Затем указатель показывает более низкую температуру на циферблате.

Они в основном используются для промышленного применения, так как их можно поместить внутрь защитной гильзы, которая обеспечивает работу в условиях высокой температуры и давления.

Рис. 3. Биметаллический термометр со спиральной полосой: биметаллическая спираль (A), колба (B), стрелка (C), шкала температуры (D) в биметаллическом спиральном ленточном термометре, как показано на рис. 4. По мере повышения температуры две металлические полоски расширяются по-разному. Это создает эффект изгиба, и полоса скручивается таким образом, что металл с более высоким термическим коэффициентом образует внешнюю сторону дуги. При понижении температуры металл с более низким термическим коэффициентом образует внутренний слой дуги. Стрелка и циферблат, прикрепленные к спирали, считывают эту деформацию, которая указывает температуру среды.

Они в основном используются для термостатов или измерения температуры окружающей среды, поскольку они чувствительны к более низким колебаниям температуры.

Рис. 4. Биметаллический термометр со спиральной полоской: биметаллическая полоска (A), фиксированный конец (B)

Критерии выбора

При выборе биметаллического термометра для вашего применения следует учитывать следующие критерии выбора:

1. Диапазон температур : Биметаллический термометр должен находиться в пределах верхнего и нижнего пределов температуры. Из-за экстремальных температур металлы могут достичь своих пределов расширения и не отскочить, что приведет к необратимому повреждению термометра.
2. Стержень : Длину и диаметр стержня биметаллического термометра следует определять в соответствии с требованиями применения. Для этого может потребоваться определение глубины погружения или глубины резервуара, в котором будет использоваться термометр.
3. Защитные гильзы : Защитная гильза представляет собой цилиндрический трубный фитинг, который защищает датчики температуры, установленные в промышленных целях. Он действует как барьер для защиты дорогого термометра от любого потенциального повреждения технологической жидкостью. Защитные гильзы следует использовать там, где шток может подвергаться воздействию экстремальных температур, давлений, высокой скорости или жидкости коррозионного характера. При установленной защитной гильзе термометры можно легко снимать и заменять без остановки процесса. Поскольку защитная гильза защищает термометр, она служит дольше, что снижает затраты на техническое обслуживание и замену.
4. Тип термометра : Биметаллический термометр может иметь спиральную полоску или спиральную полоску. Термометр со спиральной лентой предпочтителен для промышленных применений, таких как нефтеперерабатывающие заводы, нефтяные горелки и т. д. Биметаллические полоски намотаны спирально внутри штока, и они могут поддерживаться защитными гильзами для работы при экстремальных температуре и давлении. Спиральные ленточные термометры используются в термостатах из-за их чувствительности к колебаниям низких температур.

Калибровка биметаллического термометра

Наиболее точным методом калибровки биметаллического термометра является метод ледяной точки. Чтобы откалибровать биметаллический термометр с помощью этого метода, полностью наполните стакан льдом, добавьте холодную воду и оставьте на 4–5 минут. Затем вставьте стержень термометра в ледяную воду. Убедитесь, что ножка не касается дна или стенок стакана. Подождите, пока циферблат не перестанет двигаться. Если термометр точен, он должен измерять 0°C или 32°F. Если нет, поверните гайку, расположенную под циферблатом, чтобы она показывала 0°C. Проверяйте регулярно, чтобы обеспечить точность. Еженедельная или ежемесячная калибровка термометра должна проводиться в зависимости от требований вашего приложения.

Применение

Биметаллические термометры используются как в жилых, так и в коммерческих целях. Они обычно используются в:

1. Кондиционеры
2. Термостаты
3. Устройства управления
4. Нагреватель
5. Духовки
6. Горячие провода
7. Нефтеперерабатывающие заводы
8. Масляные горелки

Часто задаваемые вопросы

Должна ли вся пробирка быть погружена в среду или достаточно кончика?

Вся пробирка должна быть погружена в среду. Трубка содержит биметаллическую катушку, которая деформируется от температуры. Для точного измерения он должен полностью соприкасаться со средой.

• Биметаллический термометр с задним присоединением

• Нижнее соединение биметаллического термометра

• Аксессуары для биметаллических термометров

Как работают электрические чайники?

Как работают электрические чайники? — Объясните этот материал

Вы здесь: Домашняя страница > Домашняя жизнь > Электрочайники

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 16 февраля 2023 г.

Машины на бензине… а люди на чае и кофе (по крайней мере у меня дома)! Если ты пьешь кофе или чай ведрами, ты будешь рад кому-то один раз имел сообразительность изобрести сверхэффективный способ охлаждения воду в горячую, а именно, электрический чайник (также известный как электрический чайник).

Наполните его водой, подключите, включите, и через пару минут у вас будет горячая вода пить или готовить. Как именно работает чайник? Почему это занимает так долго варить? И как он узнает, когда нужно выключить себя? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Электрический чайник — удобный способ получения тепловой энергии из электричества. Это водонагреватель, но также и устройство для преобразования энергии, которое иллюстрирует один из самых основных законов физики: сохранение энергии (подробнее обсуждается ниже).

Содержимое

1. Что такое электрический чайник?
2. Сколько времени закипает чайник?
3. Насколько эффективен чайник?
4. Как работают проточные водогрейные котлы?
5. Откуда чайник знает, когда его выключать?
6. «Механический эквивалент тепла»
7. Узнать больше

Что такое электрический чайник?

Чайники относятся к простейшим бытовым приборам. Поднимите крышку и загляните внутрь и вы увидите на самом дне емкости с водой спираль толстый металл, называемый нагревательным элементом. При включении чайника в электрическую розетку большой электрический ток течет в нагревательный элемент. Элементы сопротивление (тенденция любого материала останавливать электричество протекающий через него) превращает электрическую энергию в тепло. В других словом, элемент нагревается. Поскольку он находится в прямом контакте с холодной водой, тепло передается воде за счет теплопроводности и быстро нагревается. это тоже.

Фото: Вверху: Нагревательный элемент внутри основания электрочайника показан на нашем верхнем фото. Внизу: в некоторых чайниках этот элемент скрыт от глаз под внутренним полом, чтобы он не «покрывался известковым налетом». Это более аккуратный дизайн, но он делает чайник гораздо более шумным.

Сколько времени закипает чайник?

Воду можно кипятить любым способом — даже в простой кастрюле на открытом огне или в плите — хотя закрытый чайник обычно намного быстрее: он останавливает утечку тепла, позволяет давлению повышаться быстрее (помните, что вода закипает, когда давление ее насыщенного пара равно атмосферному давлению), и помогает воде закипать быстрее.

Но вы когда-нибудь расстраивались из-за того, как долго закипает чайник? Не! Удивительно то, что ваш чайник закипает так же быстро, как и почему.

Если вы продолжаете накачивать тепловую энергию на дно чайника (быстрее, чем уходит тепло через верх и бока), рано или поздно вода внутри него будет кипеть. Основной закон физики, называемый Закон сохранения энергии говорит нам о том, что если вам нужно вскипятить литр воды, начиная с одной и той же температуры, вам всегда придется добавлять одинаковое количество энергии, чтобы сделать это. Используете ли вы костер или чайник, микроволновую печь или какой-то удивительный устройство для перемешивания наподобие Джеймса Прескотта Джоуля (см. рамку ниже), количество энергии, которое необходимо вложить в воду, чтобы заставить ее закипеть, точно такое же. Это не означает, что каждый метод кипячения воды является 100-процентным. эффективным, однако, по причинам, к которым я вернусь через мгновение.

Допустим, вы начинаете с 1 литра (примерно 1 килограмм, 2,2 фунта) холодной воды. около 10°C (50°F), и вы хотите поднять его на 90°C до точки кипения (100°C или 212°F). Количество энергии, которое вам нужно, составляет 4,2 × 1000 грамм × 90. градусы = 378 000 джоулей или 378 кДж.

Загадочное «4,2» — это постоянная величина, называемая удельной теплоемкостью воды. Каждый материал имеет различную удельную теплоемкость, которая представляет собой просто количество энергии, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру одного грамма материала на один градус Цельсия. Вам нужно добавить 4,2 джоуля энергии для повышения температуры 1 г воды на 1°С, поэтому удельная теплоемкость воды 4,2 Дж/г/°С.

378 кДж для кипячения литра воды — это гораздо больше энергии, чем вы думаете. Энергосберегающая лампа с рейтингом 10 ватт использует 10 джоулей энергии каждую секунду (поскольку 1 ватт означает использование одного джоуля в секунду), поэтому для использования потребуется 37 800 секунд — около 10,5 часов. столько энергии, сколько наш чайник использует за одно кипячение!

Художественное произведение: Чайники потребляют много энергии для кипячения воды, но делают это быстро (примерно за 2,5 минуты), потому что они работают на большой мощности. С тем же количеством энергии вы могли бы питать микроволновую печь в течение примерно 8 минут, портативный компьютер в течение часа и 20 минут или энергосберегающую лампу в течение примерно 10,5 часов.

Если вы используете электрический чайник мощностью 2400 Вт, это означает, что он потребляет 2400 Вт. джоулей электрической энергии в секунду и положив (примерно) столько же количество энергии в воду в виде тепла каждую секунду, а также. Разделять 378 000 на 2400, и вы обнаружите, что чайнику требуется около 160 секунд. делать работу, что звучит почти правильно — Электрический чайник обычно закипает за 2–3 минуты. Старая пословица говорит, что кастрюля (чайник) под присмотром никогда не закипит, но это датируется временем когда большинство людей кипятили воду на ужасно неэффективных открытых угольные пожары. Электрический чайник может вскипятить воду всего за пару минут, потому что это может добавить тепла энергии к воде намного быстрее и эффективнее, чем открытый огонь (который позволяет теплу выходить во всех направлениях).

Если мощность вашего чайника составляет примерно 2400 Вт (Вт), а вы использовали электроэнергию для Великобритании питание 240 вольт (В), что означает ток, проходящий через элемент будет 2400/240 или 10 ампер (А). По бытовым меркам это здоровенный ток: для сравнения, маленькое зарядное устройство, которое у меня есть для моего iPod, потребляет максимальный ток. 0,67 ампер — чайник потребляет в 15 раз больше! Итак, ответ на как электрический чайник работает так быстро, используя относительно большой электрический ток. Количество произведенного тепла равно пропорциональна току в квадрате, поэтому большие токи производят гораздо больше тепла и нагревают предметы гораздо быстрее, чем более мелкие.

Фото: Скрытый нагревательный элемент типичного современного чайника, вид снизу. Элемент запаян в светло-серую центральную часть, и (если присмотреться) видны только два его вывода в правом нижнем углу. Темно-серый ободок (та часть, которой касается мой большой палец) представляет собой резиново-пластиковую прокладку, которая герметизирует нагревательный элемент внутри дна чайника и предотвращает просачивание воды. Длинная трубка наверху подает пар из чайника вниз к термостату, который отключает элемент в нужное время (как описано ниже).

Насколько эффективен чайник?

Я только что сказал, что вам нужно использовать одинаковое количество энергии, чтобы вскипятить воду, как бы вы это ни делали, что предполагает, что каждый метод кипячения воды так же эффективен. Я имею в виду, что для кипячения фиксированного количества воды требуется фиксированное количество энергии. Если кипятить воду на газовой плите в открытой кастрюле вам придется использовать больше энергии, чем если вы используете электрический чайник, потому что больше энергии теряется сверху и от газового пламени. Если вы используете микроволновая печь, вы должны включить проигрыватель, и даже энергия тратится впустую этот ужасный гудящий звук.

Несколько лет назад физик Том Мерфи провел расчеты, чтобы вычислить эффективность различные способы кипячения. Он обнаружил, что электрические чайники намного эффективнее, хотя если вы отрегулируете за то, что электростанции производят электроэнергию расточительным способом, они менее впечатляющие. (Так, например, если вы заинтересованы в сокращении выбросов углекислого газа, вам делать нужно учитывать, как производится ваше электричество.) Еще одним ключевым открытием Тома было то, что скорость выключения чайника сильно влияет на его эффективность. И это именно то, что вы ожидаете от физики, потому что производство пара от горячей воды требует много энергии.

Но если вы пытаетесь выяснить, является ли один электрический чайник более или менее эффективным чем другой, забудьте об этом. Основные электрические чайники все примерно одинаковы. Ключ к повышению эффективности заключается в том, чтобы использовать не больше воды, чем вам нужно, и следить за тем, чтобы чайник выключается, как только закипит.

Рекламные ссылки

Как работают проточные водогрейные котлы?

Если вы устали ждать и хотите, чтобы ваш чайник закипел быстрее, вы можете сделать только две вещи. Один использовать больше электрического тока, другими словами, купить более мощный чайник; другое использование состоит в том, чтобы использовать меньше воды.

Водонагреватели/диспенсеры мгновенного действия (такие как Breville Hot Cup и Morphy Richards Meno), который на самом деле может вскипятить не больше чашки воды. быстро, комбинируйте эти методы. Они используют более мощный нагрев элемент, чем обычный чайник (обычно 3000 Вт или более) и они сконструированы таким образом, что элемент может безопасно работать при контакте с только небольшое количество воды. Если вы кипятите только (скажем) на четверть литра воды вам потребуется только четверть энергии — скажем, 100 000 джоулей. И если вы поставляете эту энергию с помощью элемента мощностью 3000 Вт, посчитайте, и вы обнаружите, что можете сделать это примерно за 30 секунд вместо обычного. 2,5 минуты. Видите ли вы здесь еще одно большое преимущество? Если вы вскипятить весь чайник, чтобы сделать всего один горячий напиток, вы эффективно тратит впустую три четверти энергии, которую вы потребляете. Кипячение только того количества воды, которое вам нужно, значительно экономит денег — и помогает окружающей среде тоже.

Как чайник узнает, когда его выключать?

Работа: Как выключается электрический чайник. Там есть паровой клапан и трубка (желтая, 43 и 44), ведущие вниз от верхней части водяной камеры (серая, 38) к биметаллическому термостату и переключателю (оранжевый и красный, 1 и 2). Когда чайник закипает, пар свистит по этой трубке, нагревает термостат и заставляет его открываться, отключая нагревательный элемент (зеленый, 39) и останавливая кипение воды. Изображение из патента США 4,357,520: Электрический резервуар для кипячения воды с включаемыми сухими и чувствительными к потоку термочувствительными блоками управления Джона С. Тейлора, любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Первые электрические чайники имели встроенную функцию защиты: их было относительно легко включить, пойти и сделать работу по дому или два, а затем забыть о них. Если бы ты был повезло, когда вы вернетесь через несколько минут, вы найдете свой кухня, наполненная облаками пара. Если вам не повезло, ваш чайник Элемент может перегореть, перегореть предохранитель или даже начать пожар.

К счастью, практически все современные чайники выключаются сами. автоматически с помощью термостатов (механических, электрических или электронные устройства, реагирующие на изменение температуры). Многие на основе конструкций, разработанных английским изобретателем Джон С. Тейлор, чей компании Otter Controls и Strix Ltd разработали более миллиард таких термостатов по всему миру.

Как они работают? Самые простые из них механические и используют биметаллический термостат (описан в нашей основной статье о термостатах), встроенный в элементный блок на дне чайника. Он состоит из диска два разных металла, тесно связанных друг с другом, один из которых расширяется быстрее других по мере повышения температуры. Обычно термостат изогнут в одном направлении, но когда горячая вода достигает точки кипения, Образующийся пар попадает в биметаллический термостат и внезапно заставляет его защелкнуть и согнуть в противоположном направлении, немного похоже на зонтик, выворачивающийся наизнанку на ветру. Когда термостат открывается, он нажимает на рычаг, который срабатывает. цепь, отключает электрический ток и безопасно выключает чайник. Более сложные термостаты для чайников (используются в системах такие как модный кофейный бойлер Marco Über) полностью электронные и позволяют нагревать воду до точной температуры и поддерживать ее в течение неопределенного времени путем многократного включения тока. и выкл.

Фото: (вверху) Вот как в реальности выглядит типичный термостат-выключатель Strix. Я использовал точки того же цвета, что и на картинке выше, чтобы показать ключевые части этого старого разобранного чайника. Паровая трубка (желтая) подает пар к биметаллическому термостату. Термостат (оранжевый) выключает чайник. Коммутационный блок (красный) и несколько проводов соединяют термостат, выключатель питания (розовый) и беспроводной разъем (темно-синий) с двумя клеммами нагревательного элемента (зелеными). Термостат и переключатель привинчены к нижней части светло-серого скрытого нагревательного элемента (показан на фотографии выше на этой странице).

Фото: (внизу) Биметаллический термостат крупным планом (показан оранжевой точкой на другом фото).

«Механический эквивалент тепла»

Работа: Эксперимент Джоуля по нахождению механического эквивалента тепла.

Электрические чайники могут показаться ужасно обыденными, но о них стоит прочитать и написать о том, потому что они блестяще иллюстрируют один из самых фундаментальные физические законы нашей вселенной: вы можете преобразовать один вид энергии в другой, но вы не можете создать энергию из воздуха или заставить ее исчезнуть в никуда. Эта чрезвычайно важная идея называется сохранением энергии, и английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889 гг.)) был одним из первых, кто докопался до сути.

Джоуль придумал блестящий эксперимент. Он прикрепил тяжелый груз (1) к веревке, накинутой на шкив (2), так что, когда вес падал, веревка вращала ось (3) и вращала гребное колесо внутри сосуда, полного воды (4). Он рассудил, что «механическая» энергия, которую он таким образом добавил к воде, превратится в тепловую энергию, слегка нагрев воду. После неоднократных опытов он успешно доказал, что энергия (или, как он ее называл, живая сила), теряемая падающим грузом, в точности равна энергии, приобретаемой нагревающейся водой. Таким образом, Джоуль подтвердил, что механическая энергия (или работа) и тепловая энергия были взаимозаменяемы, и результат был опубликован в знаменитой статье под названием «Механический эквивалент теплоты», которая до сих пор считается одним из наиболее важных подтверждений теория сохранения энергии.

Джоуль считал, что сможет найти доказательства своих идей в реальном мире. Все, что ему нужно было сделать, это найти водопад и измерять температуру вверху и внизу; падающая вода преобразует потенциал энергии в тепло, создавая разницу температур, которая, как он считал, подтверждала его теория. По его расчетам, могучий Ниагарский водопад был бы на пятую часть градуса теплее. внизу, чем наверху, хотя измерить это было бы довольно сложно! Пытаясь урегулировать этот вопрос, Джоуль взял с собой в медовый месяц несколько термометров. в Шамони, Франция, в 1847 году и попытался измерить там водопад, хотя и не смог сделать это достаточно точно. чтобы доказать свою точку зрения.

Узнать больше

• Механический эквивалент тепла: Эта вводная статья из Википедии содержит очень хорошую иллюстрацию аппарата Джоуля.
• Джеймс Прескотт Джоуль: Статья Википедии о Джоуле содержит фотографию того же аппарата из Лондонского Музея Науки.
• Великие эксперименты в физике: рассказы из первых рук от Галилея до Эйнштейна Морриса Х. Шамоса. Dover, 1987. Глава 12 этой замечательной книги содержит репродукции некоторых оригинальных работ Джоуля 1845 и 1850 годов, в которых подробно объясняется, как проводился эксперимент. Он также включает больше информации об экспериментах Джоуля с водопадом.

Узнать больше

На фото: старомодный чайник Morphy Richards из нержавеющей стали. В этой модели биметаллический термостат и механизм переключения полностью скрыты в массивной ручке.

На этом веб-сайте

Вам могут понравиться другие статьи на нашем сайте, посвященные похожим темам:

• Электричество
• Тепло
• Нагревательные элементы

Статьи

• Жгучее стремление к эффективности Тома Мерфи. Как я объяснил выше, для нагрева определенного количества воды до одной и той же температуры требуется одинаковое количество энергии, как бы вы ни решили это сделать. Но некоторые методы более эффективны, чем другие. Как объясняет Том Мерфи в этом замечательном посте в блоге, электрические чайники значительно эффективнее, чем чайники на плите и микроволновые печи.
• Что более энергоэффективно — кипячение воды с помощью электрического чайника, чайника на газовой плите или микроволновой печи?: The Guardian, Notes & Queries, 2011. Читатели Guardian высказывают различные мнения об эффективности различных методов кипячения воды. .
• Неудобные, суетливые или просто уродливые чайники от Элис Роусторн. The New York Times, 9 августа 2009 г. Почему чайники так плохо спроектированы? Этот писатель задается вопросом об эстетике, но, может быть, ей было бы лучше подумать о том, как наука и инженерия ограничивают конструкцию машины, которая может быстро и эффективно кипятить воду?

Книги

• Чайник: благодарность Джонатана М. Вудмана. Aurum Books, 1997. Взгляд на 36 культовых чайников, в том числе на знаменитые дизайны WAS Benson, Peter Behrens (для AEG), Kenneth Grange и других, с упором на промышленный дизайн.

Патенты

Если вас интересуют настоящие технические подробности, почему бы не взглянуть на некоторые из многих патенты, описывающие, как работают приборы, похожие на чайники? Вот четыре, которые я выбрал, но вы найти намного больше в записях.

• Предохранитель Мориса Ли Уорнера: модифицированный предохранитель, предотвращающий выкипание электрических кофеварок. Патент США 1794045, 24 февраля 1931 г.
• Электрический кофейник от Ambrose Olds. Электрическая кофеварка, поддерживающая заданную температуру напитка. Патент США 1998732. 23 апреля 1935 г.
.
• Электрическая емкость для кипячения воды с включаемыми сухими и чувствительными к потоку термочувствительными блоками управления, разработанными Джоном К. Тейлором. Патент США 4 357 520, 2 ноября 1982 г.
• Устройство термочувствительного контроля для контейнеров, снабженных электрическими погружными нагревателями, John C. Taylor et al. Патент США 4 621 186. 4, 19 ноября86.

Видеоролики

• Биметаллическое лезвие мгновенного действия Демонстрация доктора Джона Тейлора ОБЕ: Джон Тейлор демонстрирует, как биметаллический термостат чайника включается и выключается.
• Не выключайте: доктор Джон К. Тейлор: Беседы в Google: вдохновляющая речь пионера чайников.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2011, 2023. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2011/2023) Электрочайники. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-electric-kettles-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Бибтекс

@misc{woodford_electric_kettles, автор = «Вудфорд, Крис», title=»Электрические чайники», publisher = «Объясните это», год = «2011», url = «https://www.