Расчет мощности для нагрева воды: Расчёт мощности ТЭНа для нагрева воды онлайн / Калькулятор / Элек.ру

Содержание

Калькулятор расчета мощности тэна для нагрева воды

ТЭН — одно из самых удачных изобретений в сфере нагрева жидкостей от электропитания. При всем этом с помощью трубчатых нагревателей обогревают не только воду в бойлерах бытового пользования, их используют для теплового воздействия на жидкости разного состава и среды в промышленной сфере.

В данной статье мы рассмотрим основные особенности трубчатых нагревателей. Вы можете ознакомиться с материалами статьи или же сразу перейти к калькулятору расчета мощности ТЭНов для воды.

Что такое трубчатый нагревательный элемент?

Нагревательный элемент преобразует электрическую энергию в тепло посредством резистивного процесса (также известного как джоулев нагрев). Электрический ток, проходящий через элемент, встречает сопротивление, от которого выделяется тепло.

Обычно трубчатые нагревательные элементы изготавливаются из проволоки или ленты, которые преобразуют электричество в тепло и передают его.

В первую очередь прогреву поддаются элементы конструкции нагревателя, такие как изоляция и оболочка, а затем уже тепло подается окружающей среде или контактной поверхности.

Как работает нагревательный элемент?

Как уже понятно, нагревательные элементы участвуют в преобразовании электрической энергии в тепло. Однако, чтобы понять, как функционирует трубчатый нагревательный элемент, мы должны вспомнить несколько основных уроков физики. Во-первых, проводники — хорошие переносчики электричества. И наоборот, изоляторы — плохие переносчики электричества. Таким образом, при потреблении тока проводник вырабатывая высокое сопротивление способен обеспечить высокотемпературный нагрев, а изоляционный материал окружающий его (проводник в виде, например, проволоки или спирали из нихрома) ток не пропускает, производя защиту от пробоев и электротравм, а только передает тепло.

Резистивный элемент, то есть проводник, фиксируется на сердечнике, что позволяет ему не утрачивать заданную форму и расстояние, между заданными шагами намотки потребляя электроэнергию, нагревается и передает тепло изоляционному материалу. Это может быть порошкообразное вещество заполняющее пространство между спиралью и внутренней поверхностью трубчатого корпуса, от которого высокая температура равномерно переходит к корпусной основе нагревателя.

В результате нагревательные элементы представляют собой прочный электрический компонент, который выделяет тепло, когда через него протекает электрический ток.

Для нагрева жидкостей сегодня применяется довольно таки широкий ассортимент водонагревательных ТЭНов. Каждый из таких элементов предназначается для работы в определенной среде и может выдерживать различные нагрузки. Подбор максимально правильного варианта зависит не только от возможностей потребителя, а и от тех характеристик, которыми должен обладать нагреватель для создания качественных условий нагрева.

«ТЭН24» предлагает самые качественные и выгодные варианты ТЭН для обогрева жидкостей различного состава. У нас вы можете приобрести нагреватели с соответствующими параметрами типа:

«Мокрый» ТЭН — погружаемый в бойлер и непосредственно контактирующий с жидкостью в нем. Производит быстрый нагрев, может устанавливаться в баки любого объема и работать при высокой мощности.
«Сухой» ТЭН — располагаемый в емкости с жидкостью, но за счет наличия специальной колбы не контактирующий с жидкостью напрямую. Такой нагреватель служит дольше, его легче заменять, но из-за параметров он может применяться в бойлерах объемом не менее 50 литров.
Блок ТЭН — применяется для нагрева различных жидкостей, в частности воды и масла. Корпус ТЭНа изготовлен из кислостойкой нержавейки и не вступает в реакцию с жидкостью.

Несмотря на высокое качество современных ТЭН и возможность их промышленного производства с разными характеристиками производителями бойлеров немалым спросом пользуются самодельные аналоги. Обуславливается это значительно меньшей стоимостью. Тем более при самостоятельной сборке летней душевой кабины или умывальника очень удобно применять самодельные электрические водонагреватели. Поместив такой нагреватель в подходящую емкость с водой, вы сможете вполне улучшить свои удобства на даче или в частном доме.

Внеся данные объема нагреваемой воды, ее начальной температуры, конечной температуры и желаемого периода нагрева в предложенный калькулятор вы с легкостью сможете рассчитать необходимый показатель мощности трубчатого нагревателя. Уровень точности расчета достаточно высок с учетом особенностей конструкции и фактическим напряжением электрической сети.

Если напряжение в сети будет иметь показатель ниже Uраб электронагревателя (такое может случиться при снижении напряжения лилии) эффективность работы нагревательного элемента также снизится. Естественно, что за счет последующего снижения уровня температуры греющей поверхности вода также будет нагреваться дольше.

Конечные данные, полученные из калькулятора, не означают что нужно использовать нагреватель только такого номинала: достичь необходимой мощности можно применив несколько нагревательных элементов с параллельным соединением.

Обращаем ваше внимание, что в случае предложенного расчета не учтены тепловые потери в окружающую среду, которые зачастую возникают из-за плохой теплоизоляции или непродуманной конструкции емкости водонагревателя.

Рекомендуемая для ввода начальная температура в зависимости от сезонного периода может отличаться: 12-18°С летом и 5-10°С в зимой.

Скорость нагрева воды тэном. Расчет мощности для нагрева воды тэном

Современные производители в широком ассортименте выпускают электрические водонагреватели, используемые в квартирах и частных домах. Однако нередко возникает необходимость оборудовать на даче или в летнем домике систему нагрева воды с использованием самодельных устройств. В связи с этим приходится выполнять расчет мощности ТЭНа, чтобы , сделанные своими руками, работали максимально эффективно.

Как рассчитать мощность ТЭНа калькулятором онлайн

Расчет мощности ТЭНа с помощью онлайн-калькулятора выполняется учетом объема бака самодельного водонагревателя.

Кроме того, учитывается начальная и конечная (требуемая) температура воды, а также предполагаемое время нагрева. На точность результатов оказывает влияние фактическое напряжение электрической сети и особенности конструкции данного ТЭНа. Все эти исходные данные вводятся в онлайн-калькулятор расчета мощности.

Основой всех расчетов служит формула, определяющая математические показатели мощности: P=0,0011m(tk-tн)/T, где:

Р — это мощность ТЭНа,
m — масса воды, подлежащей нагреву,
tk-tн — температура воды в начале и конце нагрева,
Т — время, необходимое для нагрева воды.

Калькулятор позволяет вычислить мощность нагревательного элемента без учета потерь тепла, различающихся в соответствии с конструкцией той или иной емкости. Кроме того на тепловые потери влияет температура окружающей среды и другие факторы.

Во время расчетов ТЭНа следует учитывать показатели фактического напряжения электрической сети, значительно отличающиеся от предполагаемого номинала. Например, пониженное напряжение может привести к снижению расчетной температуры рабочей поверхности ТЭНа. Поэтому времени для нагрева одного и того же объема воды потребуется значительно больше.

Во время расчетов в окне калькулятора «Объем нагреваемой воды» может быть вставлено значение массы этой воды с учетом ее удельного веса, составляющего 1 г/см3. Нередко холодная вода для нагрева поступает из городских систем водоснабжения. В этих случаях предусмотрена ее начальная температура, которая рекомендуется в летний период примерно 5-8 градусов, а в зимний период — 13-18 градусов. Конечный результат расчетной мощности Р в формуле подходит не только для одного ТЭНа, но и для нескольких элементов, соединенных параллельно.

Определение технических параметров приборов и расчёт нагрева воды — мощности нагревателя, змеевика, количества тепла и расхода энергии для нагрева воды — зависит от типа устройства электроводонагревателей, которые бывают накопительными и проточными.

Общие данные, необходимые для вычислений

Чем мощнее электрообогреватель, тем быстрее он подогревает заданное количество воды. Поэтому приборы по этому параметру подбирается в соответствии с задачами, необходимым объёмом и допустимым временем ожидания. Так, например, нагрев до 60°С 15 литров с нагревателем в 1,5 кВт займёт около полутора часов. Однако для больших объёмов (например, для наполнения 100-литровой ванны) при разумном времени ожидания (до 3 часов) для доведения жидкости до комфортной температуры понадобится устройство на 3 кВт мощнее.

Для полноценного вычисления расчётной мощности необходимо учесть ряд параметров:

Накопительные водонагреватели (бойлеры)

Без физико-математических формул бытовой расчёт описывается следующим образом: за 1 час 1 кВт нагревает 860 литров на 1 К. Для более точного определения времени нагревания, мощностных характеристик, объёма используется универсальная формула, из которой потом выводятся остальные результаты:

Эта формула состоит из нескольких и отражает целый ряд параметров, учитывая при этом фактор теплопотерь. (При малых мощностных характеристиках и большом объёме этот фактор становится более существенным, однако в бытовых нагревателях этим учётным значением чаще пренебрегают):

N full – мощностные характеристики нагревательного элемента,

Q c – теплопотери водонагревательной ёмкости.

c= Q/m*(tк-tн)
- С – удельная теплоёмкость,
- Q – количество теплоты,
- m – масса в килограммах (либо объём в литрах),
- tк и tн (в °С) – конечная и начальная температуры.
N=Q/t
- N – мощностные характеристики нагрева.
- t — время нагревания в секундах.
N = N full — (1000/24)*Q c

Упрощенные формулы с постоянным коэффициентом:

Расчёт мощности ТЭНа для нагрева воды нужной температуры:
W= 0,00117*V*(tк-tн)/T
Определение времени, необходимого для нагревания воды в водонагревателе:
T= 0,00117*V*(tк-tн)/W

Составляющие формул:

W (в кВТ) – мощностная характеристика ТЭНов (нагревательного элемента),
Т (в часах) – время нагрева воды,
V (в литрах) – объем бака,
tк и tн (в °С) – конечная и начальная температуры (конечная – обычно 60°C).

Часто объём приравнивают к массе (m). Тогда определение мощности ТЭНа будет производиться по формуле: W= 0,00117*m*(tк-tн)/T. Формулы считаются упрощёнными, ещё и потому что в них не учитывается:

фактическая мощность электросети,
температура окружающей среды,
конструктивные особенности и потенциальные теплопотери бака,
рекомендации некоторых производителей, относительно tн (порядка 5-8 °С летом и 15-18 °С – зимой).

При покупке устройства надо принимать во вниание, что относительно низкие мощностные характеристики накопительных водонагревателей по сравнению с проточными ещё не гарантируют финансовую экономию. Накопительные меньше «забирают», но из-за того, что работают дольше, больше и расходуют. Для финансовой экономии более надёжной стратегией будет общее снижение водопотребления за счёт установки различного вида экономителей (http://water-save.com/ ) и строгий учёт водорасхода.

Проточные водонагреватели

В расчете количества тепла для нагрева проточной воды надо учитывать разницу в стандартах напряжения России (220 В) и Европы (230 В), так как значительная часть электроводонагревателей изготовляется западноевропейскими компаниями. Благодаря этой разнице номинальный показатель в 10 кВт в таком приборе при подключении к российской сети в 220В будет на 8,5% меньше – 9,15.

Максимальный гидропоток V (в литрах за минуту) с заданными мощностными характеристиками W (в киловаттах) рассчитывается по формуле: V= 14,3*(W/t 2 -t 1), в которой t 1 и t 2 – температуры на входе в нагреватель и в результате подогрева соответственно.

Ориентировочные мощностные характеристики электроводонагревателей применительно к бытовым потребностям (в киловаттах):

4−6 – только для мытья рук и посуды,
6−8 – для принятия душа,
10−15 – для мойки и душа,
15−20 – для полного водоснабжения квартиры или частного дома.

Выбор затрудняет то, что нагреватели выпускаются в двух вариантах подключения: к однофазной (220 В) и трёхфазной (380 В) сети. Однако нагреватели для однофазной сети, как правило, не выпускаются выше 10 киловатт.

Вычисления для бассейнов

Расчет нагрева воды в бассейне складывается из вычисления параметров электронагревателя и объёма, который необходимо подогреть. В таблице указано приблизительное время в часах, за которое температура поднимается с 10 °С до 28 °С. При этом существенную роль в конечных вычислениях играет площадь водяного «зеркала», температура окружающей среды, степень открытости/ закрытости места расположения бассейна.

Общие данные, необходимые для вычислений

Для полноценного вычисления расчётной мощности необходимо учесть ряд параметров:

Накопительные водонагреватели (бойлеры)

N full – мощностные характеристики нагревательного элемента,

Q c – теплопотери водонагревательной ёмкости.

c= Q/m*(tк-tн)
- С – удельная теплоёмкость,
- Q – количество теплоты,
- m – масса в килограммах (либо объём в литрах),
- tк и tн (в °С) – конечная и начальная температуры.
N=Q/t
- N – мощностные характеристики нагрева.
- t — время нагревания в секундах.
N = N full — (1000/24)*Q c

Упрощенные формулы с постоянным коэффициентом:

Расчёт мощности ТЭНа для нагрева воды нужной температуры:
W= 0,00117*V*(tк-tн)/T
Определение времени, необходимого для нагревания воды в водонагревателе:
T= 0,00117*V*(tк-tн)/W

Составляющие формул:

W (в кВТ) – мощностная характеристика ТЭНов (нагревательного элемента),
Т (в часах) – время нагрева воды,
V (в литрах) – объем бака,
tк и tн (в °С) – конечная и начальная температуры (конечная – обычно 60°C).

фактическая мощность электросети,
температура окружающей среды,
конструктивные особенности и потенциальные теплопотери бака,
рекомендации некоторых производителей, относительно tн (порядка 5-8 °С летом и 15-18 °С – зимой).

Проточные водонагреватели

4−6 – только для мытья рук и посуды,
6−8 – для принятия душа,
10−15 – для мойки и душа,
15−20 – для полного водоснабжения квартиры или частного дома.

Вычисления для бассейнов

Расчет оборудования для нагрева воды в бассейне.

Виды нагревателей. – Статьи

1. Общие понятия

Температура окружающего воздуха основательно влияет на температуру воды в открытом бассейне. При температуре воздуха 18-20 градусов человек чувствует себя еще мало-мальски комфортно, однако, плавать при такой температуре мало кому захочется. Зачастую, такие условия в теплом периоде в средней полосе и севернее, составляют львиную долю. В связи с этим, вопрос подогрева воды в бассейне актуален.

Норматив температуры воды для бассейнов
Тип бассейна	Температура воды по нормативу (градус по Цельсию)
Плавательные и спортивные бассейны	24-26
Детские бассейны	28-30
Гидромассажные и спа-бассейны	32-38

Для исключения проблем с поддержанием необходимой температуры воды уже на этапе проектирования подбирают необходимое нагревательное оборудование. В статье мы поможем Вам освоиться с этой проблемой и выбрать подходящую модель по типу и мощности.

Устройства обогрева воды работают по принципу передачи тепла «от горячего к холодному». Установки различаются принципом получения тепла для нагрева.

Типы и принцип работы водоподогревателей
Тип установки обогрева воды	Принцип получения тепла
Рекурперативные теплообменники (теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен происходит через стенку)	Циркулирующая вода нагретая любым способом передает через стенки тепло, нагревая воду.
Электронагреватели	Нагреваются за счет электроэнергии. Тепло передается воде напрямую от трубчатых электронагревателей (ТЭН)

2.Теплообменники

Водно-водяной теплообменник состоит из корпуса, внутри которого смонтированы два контура. Первичный контур (контур нагрева) предназначен для циркуляции воды из бойлера. Вторичный контур – для циркуляции воды из бассейна. Между контурами происходит теплообмен следующим образом. Вода из бассейна забирает тепло от воды из теплообменника. Остывшая вода снова проходит через бойлер, подогревается и снова возвращается в теплообменник для отдачи тепла воде из бассейна. И так по замкнутому кругу пока вода в бассейне не достигнет заданной температуры. Затем нагреватель в зависимости от настроек либо отключается, либо продолжает работать в режиме поддержания требуемой температуры.

Время, требуемое для нагрева воды до заданной температуры, зависит от объема бассейна и мощности нагревателя.

Тип и особенности конструкции теплообменника
Тип теплообменника	Особенности конструкции
вертикально расположенные	Нагревательный контур в виде пучка тонких трубок, по каждой из которых протекает вода. Большое количество трубок в пучке повышает площадь теплопередачи. Есть конструкции с демонтируемым пучком трубок (повышение ремонтопригодности).
горизонтально расположенные	Нагревательный контур в форме спирали

Корпус теплообменника изготавливают из

композитного пластика,
нержавеющей стали,
титана.

Контур нагрева изготавливают из

нержавеющей стали (подходит по соотношению цена/качество для бассейнов с пресной водой),
титана (для бассейнов с морской водой),
никеля,
купроникеля.

Достоинства и недостатки теплообменников
Достоинства	Недостатки
сравнительно дешевые	для работы в доме должен быть газовый котел (можно электрический котел, но это уже дорого)
не требуют больших затрат в процессе эксплуатации	на заявленной мощности теплообменник будет работать только при указанных в тех. паспорте разнице температур первичного и вторичного контура и соотношения скоростей жидкости в них

Падение производительности нагревателя в случае отклонения от паспортных данных можно проанализировать по графикам (диаграмма А,Б)

3. Солнечные коллекторы (солнечные батареи)

Нагреваются под действием солнечных лучей и это тепло используется для подогрева воды в бассейне. Коллектор имеет систему тонких трубок.

Достоинства и недостатки солнечных коллекторов
Достоинства	Недостатки
не требуется газовый котел	малая мощность (квадратный метр батареи выдает тепловую энергию 0.6 – 0.9 кВт/час. Для покрытия мощности слабого водно-водяного теплообменника потребуется площадь батарей равная площади поверхности бассейна.)
не тратится электричество	применяется в южных широтах нашей Родины с большим количеством солнечных дней

4.

Электронагреватели

Электронагреватели являются устройствами альтернативными теплообменникам. Принцип действия: в корпусе размещается трубчатый электронагревательный элемент (ТЭН). Он передает тепло протекающей воде. Особых различий между моделями нет.

При выборе электронагревателя ориентиром является:

выходная мощность,
материал, из которого изготовлен корпус,
материал, из которого изготовлен ТЭН.

При использовании морской воды ТЭН подбирают из титана, никеля или купроникеля.

Достоинства и недостатки электронагревателей
Достоинства	Недостатки
для удобства оснащены термостатом с дисплеем, что позволяет легко регулировать температуру воды	огромный расход электроэнергии (повышенные затраты на обслуживание бассейна)
оснащены комплектом автоматического управления (датчиком потока или датчиком давления) , который не позволяет работать при слабом потоке воды	модели большей мощности требуют трехфазного подключения к сети
изначально укомплектованы всем необходимым для запуска и работы

Особенности монтажа

Электронагреватель включают в цепь так, чтобы входящая труба была направлена вертикально вниз. В таком случае прибор всегда будет наполнен водой и даже при выходе из строя автоматики ТЭН не перегорит.

Практика показывает, что электронагреватели используют для бассейнов до 12 – ти кубометров открытого типа и до 20 – ти кубометров закрытого типа.

Задача по поддержанию в бассейне необходимой температуры решается не так уж и просто. Формула для расчета времени нагрева воды не учитывает важную ее особенность – теплопотери при испарении. Из-за этого подогрев воды происходит длительнее, при всем при том, что, подогрев и без того занимает массу времени.

В связи с этим в проект включают вспомогательные средства для подогрева:

термическое покрывало,
покрытие стенок бассейна теплоизоляционным напылением,
использование системы солнечных батарей.

5. Тепловые насосы для подогрева воды

Тепловой насос предназначен охлаждать или обогревать воду в плавательном бассейне с помощью преобразования энергии атмосферного воздуха в тепло.

Устанавливается вне помещения.

Достоинства

— очень простое подключение — достаточно подключить воду и электропитание теплового насоса.

— встроенная система автоматически выставляет оптимальные режимы работы компрессора и вентилятора для получения максимального КПД, путём замера соотношения температуры воздуха и теплоносителя. Управление осуществяется цифровым пультом, есть несколько автоматических настроек работы поддержания температуры.

— установлены датчики и системы защиты: защита от малого и большого давления теплоносителя, датчик высокой температуры теплоносителя, датчик потока воды, система отключения при низкой температуре воздуха, система автоматического оттаивания.

Выводы:

1. Для нагрева воды в бассейне в основном используются водно-водяные теплообменники, электронагреватели и солнечные батареи. Последний вариант используется в основном в качестве дополнительного источника нагрева.

2. Выбор модели основывается на мощности нагревателя.

3. В бассейне с морской водой требуется нагреватель из антикоррозийных материалов.

4. Нагрев воды в бассейне занимает продолжительное время

6. Порядок расчета времени работы теплообменника

Оценим время работы теплообменника по нагреву бассейна. Для этого воспользуемся эмпирической формулой (без учета отклонений от имеющейся мощности и потерь тепла):

t = 1.16 * V * T / P, где,

t – искомое время в часах,

V – объем воды в бассейне в кубометрах,

T – требуемая разница температур в градусах,

P – заявленная мощность.

Пример расчета.

По этой формуле заранее посчитаем необходимое время нагрева вашего бассейна теплообменником заявленной мощности. Например, вода в бассейне 20 градусов, а требуется нагреть до 26 градусов, т.е. на 6 градусов, при объеме бассейна 30 кубометров и мощности теплообменника 6 кВт.

t = 1. 16 * 30 * 6 / 6, t = 34,8 час.

7. Определение необходимой мощности нагревателя

Приведем несколько обобщенных формул для правильного подбора водонагревателя.

Определение мощности водонагревателя
Тип и место использования водонагревателя	Значение требуемой мощности водонагревателя
Теплообменник для открытого бассейна (мощность в кВт)	Равен объему бассейна (куб. метр)
Теплообменник для закрытого бассейна (мощность в кВт)	Равен ¾ объема бассейна (куб. метр)
Электронагреватель для открытого бассейна (мощность в кВт)	Равен ½ объема бассейна (куб. метр)
Электронагреватель для закрытого бассейна (мощность в кВт)	Равен 1/3 объема бассейна (куб. метр)
Солнечные батареи	Суммарная площадь коллекторов должна быть равна площади самого бассейна

Расчет мощности нагревателя воды описан в разной литературе. Мы же будем использовать формулы из книги «Planung von Schwimmbadern» C. Saunus

Мощность теплообменника определяется из условий первичного нагрева воды в бассейне. Обычно принимается время первичного нагрева 2-4 дня при непрерывной работе нагревателя.

Qs = V*C*(tB – tK)/Za + Zu*S

Qs – мощность нагревателя (Вт)

V – объем бассейна (л)

C – удельная теплоемкость воды, C = 1,163 (Вт/кгК)

tB – требуемая температура воды (град. по Цельсию)

tK – температура заполняемой воды (град. по Цельсию)

S – площадь зеркала воды (кв. метр)

Za – требуемое время нагрева

Zu – потери тепла (в час.)

Тип бассейна и значение параметра потери тепла
Тип и местонахождение бассейна	Значение параметра потери тепла Zu
Бассейн в помещении	180 (Вт/м²)
Бассейн на открытом воздухе (полностью открытое место)	1000 (Вт/метр кв. )
Бассейн на открытом воздухе (частично закрытое место)	620 (Вт/метр кв.)
Бассейн на открытом воздухе (полностью закрытое место)	520 (Вт/метр кв.)

При расчете по этой формуле условно – 1 кг = 1 л.

Таким образом, мы рассмотрели современные устройства подогрева воды в бассейне. Они имеют разные принципы действия, форму, технические характеристики и цену. Выбор подходящего именно для своего бассейна за Вами, а также можете обратиться к специалистам в нашу компанию и получить крайне граммотную консультацию.

Электрические накопительные водонагреватели

Скорость нагрева воды как проточным, так и накопительным электронагревателем зависит от его мощности. Вот только хватит ли выделенных на дом киловатт для нормальной работы прибора? Как выбрать модель правильной мощности, чтобы теплой воды было много, а от перенапряжения сети не выбивало пробки?

На фото:

Что определяет мощность электроводонагревателя?

За мощность отвечает тэн. Электрические водонагреватели, как и все подобные устройства, по принципу своего действия напоминают обыкновенный электрический чайник. Чем мощнее нагревательный элемент — тэн, тем быстрее он нагревает воду. Однако подобрать модель нужной мощности на практике не так-то просто.

Подойдет ли вам подобный прибор?

Немного цифр: сколько времени нужно для нагрева воды? Для нагрева 15 л холодной воды до температуры 60°С при помощи тэна мощностью 1–1,5 кВт устройству потребуется от 1 до 1,5 часа. 100 литров жидкости могут быть нагреты за 3,5–5 часов — для этого понадобится нагревательный элемент на 2–3 кВт. Подобные данные можно почерпнуть в инструкциях, которыми снабжены электрические водонагреватели.

На фото: Панель управления водонагревателя серии FSX1 от фабрики Timberk.

Важно оценить возможности местной электросети. Они нередко бывают весьма скромными: на дом выделяется всего 7–10 кВт мощности по однофазной схеме, и снять эти ограничения либо организовать дополнительный ввод питания невозможно. В таком случае придется отказаться от мощного водонагревателя, так как повышенная нагрузка на сеть будет приводить к постоянному отключению автомата защиты.

Как вычислить доступную мощность водонагревателя?

Нужно знать общее количество киловатт, выделяемых местной электросетью. Сложите потребляемую мощность всех имеющихся электроприборов, которые могут работать одновременно, и отнимите это число от общего количества киловатт, выделяемых местной электросетью. Полученное значение даже при самом удачном раскладе, как правило, оказывается весьма невысоким.

Поддержание температуры воды в баке. В современных моделях накопительных водонагревателей автоматика может поддерживать температуру нагретой воды на заданном уровне, не давая ей остыть. Тэн время от времени включается и подогревает ее. Эта удобная опция не потребует большого расхода электроэнергии — он исчисляется всего несколькими киловатт-часами в сутки. Потери тепла через стенки бака снижает слой теплоизоляции, как правило из пенополиуретана со специальными добавками. Так, например, при отключении электроэнергии вода в баке хорошего водонагревателя будет остывать менее чем на 1°С в час.

На фото: Панель управления накопительным водонагревателем серии FE6 от Timberk.

Электрические накопительные водонагреватели

Мощность тэна должна соответствовать размерам бака. Производители соблюдают оптимальное соотношение объема бака и мощности тэна: например, никто не будет использовать тэн на 1 кВт для бака емкостью 200 литров, так как вода в таком случае нагревалась бы несколько суток. Однако, разработчики понимают, что если владелец дома выбрал накопительную модель, значит сеть не позволяет ему пользоваться мощными устройствами.

Примерные соотношения мощности тэна и объема бака: при объеме бака 15 л мощность нагревательного элемента будет составлять примерно 1 кВт, при объеме 30–50 л — 1,5 кВт, при 80–100 л — 2 кВт и больше, ну а при 200 л накопительные водонагреватели нередко оснащаются тэнами на 5–6 кВт.

Примеры накопительных водонагревателей

Напольный водонагреватель SF300 — 1000 от фабрики Logalux.

В продаже есть проточные электрические водонагреватели мощностью в 2 кВт, но поток теплой воды, который они дают, небольшой: до 2 л/мин. Чтобы получить достаточно много горячей воды проточным способом нужен прибор с мощностью не меньше 8 кВт.

На фото: Проточный электрический водонагреватель серии VED, мощность от 12 до 27 кВт, от фабрики Vaillant.

Проточные электрические водонагреватели

Нужно знать расход воды в минуту. Например, для мытья посуды требуется 3-4 литров в минуту. Больше всего требуется для душа: 6-8 литров в минуту. Чтобы приблизительно понять, какая мощность водонагревателя нужна для нагрева воды при таком потоке до 30°С, просто умножьте необходимый расход на 2. Получается: для посуды нужен тэн с примерной мощностью в 6-8 кВт, для душа — с мощностью в 12-16 кВт.

Если точек водоразбора несколько, тогда проточный водонагреватель выбирают по той точке, где планируется наибольший расход воды. а если вы собираетесь пользоваться сразу несколькими точками (например, кто-то будет принимать душ, а кто-то — мыть посуду), то планируемую мощность «водогрея» нужно умножить еще примерно на 1,5.

Примеры проточных водонагревателей

Бытовой проточный водонагреватель Evolution от фабрики Timberk.

В статье использованы изображения: timberk.ru, vaillant.ru, stiebel-eltron.ru, rusklimat.ru, buderus.ru

Расчёт мощности отопительного газового котла

Есть несколько критериев, исходя из которых подбирают газовый котёл. И прежде чем приступить к непосредственному выбору конкретной модели, надо их представлять.

В чем сила тепла

Приблизительный критерий, который помогает очертить границы диапазона мощности котельного агрегата принимается как 1 кВт на 10 м² отапливаемой площади. Причём для хорошо утеплённого дома. Понятно, что дома бывают разные и условия порой сильно отличаются. Поэтому оптимальным считается вариант расчёта всех тепловых потерь отапливаемых помещений. Сделать это под силу только специалисту. Конечно, существующие методики описаны и легко доступны в сети, но диапазон некоторых поправочных коэффициентов таков, что без должного опыта такой расчёт превращается в «гадание на кофейной гуще».

Идеальный вариант безошибочно определиться с основными параметрами и элементами системы отопления — обратиться к соответствующим специалистам уже на стадии проектирования. Для расчёта используют множество показателей, таких как температура самой холодной недели и температура, которая при этом будет признана эталонной внутри помещения. Далее проводят подробный расчёт тепловых потерь по всем внешним элементам отапливаемых помещений: окнам, дверям, стенам, полу и потолку. Для этого надо знать их суммарную площадь, материал, тип и толщину теплоизоляции.

Необходимо и учесть потери тепла за счёт вентиляции. Плюс давление в газовой магистрали порой может сильно отличаться от расчётного в сторону уменьшения, причём именно зимой, на самом пике потребления. Как результат падает и реальная тепловая мощность котла. Если в крупных домах, к примеру, можно понизить подачу тепла в неиспользуемых помещениях, то в небольших такого запаса пустующих комнат может и не оказаться.

Чтобы закончить расчёт мощности, нужно уточнить, будет ли котёл использоваться только для отопления или ещё и для нагрева воды. Для первого случая годится одноконтурный котёл, для второго двухконтурный. Одноконтурный котёл тоже можно использовать для приготовления горячей воды, добавив в систему водонагреватель косвенного нагрева (бойлер), для двухконтурных бойлер в принципе не обязателен. Кроме того, сегодня многие двухконтурные модели уже имеют в своём составе встроенный бойлер, правда, сравнительно небольшой вместимости, в среднем 60-80 литров. При этом за требуемое количество горячей воды в сутки принимают объём в пределах от 100 до 200 литров на человека, в зависимости от потребности.

Стоит также заметить, что двухконтурные агрегаты разнятся по исполнению теплообменника для ГВС (горячего водоснабжения). Теплообменник может быть либо битермическим, либо раздельным. В первом теплообменники обоих контуров (отопления и ГВС) изготовлены в составе единого узла, трубки системы отопления и нагрева воды расположены коаксиально, одна внутри другой (внутренняя относится к контуру ГВС).

В раздельном вторичный теплообменник для горячей воды выполнен отдельно, и его нагрев производится от первичного. В битермических теплообменниках меньше деталей, но они предъявляют повышенные требования к качеству поступающей воды, иначе сечение трубок быстро зарастает накипью и падает эффективность нагрева. Раздельные теплообменники менее чувствительны к растворённым в воде минеральным солям. Разумеется, модели с раздельным теплообменником обойдутся дороже. Однако они позволяют получить несколько большее количество горячей воды в единицу времени. Кстати, все двухконтурные котлы по умолчанию настроены на приоритет по горячей воде: пока она греется, система отопления ждёт своей очереди.

Часто бойлер применяют в комплекте с мощными напольными котлами, большинство из которых как раз одноконтурные. Хотя есть и зеркальный вариант. Если отапливаемая площадь невелика, как и мощность котла, он при всём желании не может нагреть сколь-нибудь приемлемое количество горячей воды. Считается, что тепловая мощность двухконтурного котла, способного греть воду в проточном режиме, должна составлять не менее 20, а лучше 24 кВт, что соответствует площади дома около 200 м². Однако когда площадь помещения гораздо меньше (не более 100 м²), но требуются и отопление, и ГВС, ставится модель мощнее, чем реально требуется. Тем более, что в этом диапазоне мощностей разница в цене котлов совсем незначительна. Хотя куда логичнее взять котёл меньшей мощности и использовать его совместно с бойлером.

Плюсы конденсации

По степени эффективности использования энергии топлива все котлы делятся на конвекционные (традиционные) и конденсационные. В обычном котле используется так называемая низшая теплота сгорания, или то тепло, которое поступает в систему при сжигании топлива. КПД таких современных котлов превышает 90%. При этом «в трубу» вместе с горячими дымовыми газами улетает ещё и скрытая теплота сгорания топлива, потраченная на превращение молекул воды в пар. Температура дымовых газов на выходе из таких котлов составляет в среднем 150°C (в старых моделях и более).

Принцип действия конденсационных котлов несколько иной. При образовании конденсата выделяется дополнительное, и весьма немалое, количество тепла. Если его использовать, теоретически можно получить коэффициент эффективности котла более 100%. Никакой ошибки тут нет, поскольку за основу принимается расчёт по старой технологии, не учитывающей скрытую теплоту сгорания газа. В условиях экономии ресурсов предложение более чем заманчивое. Реальный коэффициент эффективности такого котла составляет 109-110%. Основная преграда к тому, чтобы этот тип котлов вытеснил традиционные, его стоимость. Попросту говоря, до недавних пор газ был настолько дёшев, что особенного смысла в конденсационных котлах не было. Экономия газа разницы в удорожании не покрывала. Однако с повышением цены на газ растёт и популярность «конденсационников».

Начало: Выбор газового котла для загородного дома

Расчет мощности котла отопления — как посчитать самостоятельно

Выбор котла неразрывно связан с расчетом мощности отопления, в ходе которого предстоит определить, сколько нужно тепловой энергии для обогрева дома в самую неблагоприятную погоду.

Рассчитать мощность отопления можно приблизительно, а можно точно, с учетом всех особенностей вашего жилища, высоты потолка, качества утепления и материалов, из которых построен дом.

Приблизительный расчет мощности отопления

Приблизительный расчет производительности котла можно сделать по площади дома, используя простое соотношение: 1кВт на обогрев 10 м2 площади. Полученный результат умножается на количество этажей в доме.

Такой расчет справедлив для помещений с высотой потолка не более 250 см. Более точный результат можно получить, используя соотношение: 41 Вт на обогрев 1м3. Понятно, что при этом придется посчитать внутренний объем отапливаемых помещений.

С помощью приблизительного расчета «на вскидку» определяют требуемую мощность котла и получают вполне приемлемые результаты для домов, расположенных в средней полосе России, построенных без дополнительного утепления стен.

Для того чтобы учесть климатический район, нужно использовать формулу

Wкотла =V *Wуд

где V-объем отапливаемого помещения

Wуд-удельная тепловая энергия, что, по сути, представляет собой усредненное количество тепловой энергии, необходимое для обогрева 1 м3 жилого помещения. Эта величина рассчитывается для различных регионов для самого холодного месяца в году. Узнать ее величину можно в районной администрации, в районных тепловых сетях или найти в интернете.

Для средней полосы России Wуд равно 41 Вт. Для северных районов эта величина находится в интервале 60-80 Вт, соответственно на юге страны Wуд может быть рано 20 Вт.

Простой пример: внутренний объем одноэтажного дома площадью 100м2 с высотой потолка 250 см составляет 250 м3.

Wкотла =V *Wуд=250*41=102250 Вт=10,25 кВт

Точный расчет мощности отопления

Точный расчет мощности отопления учитывает тепловые потери через все ограждающие конструкции дома: стены, пол, потолок. Отдельно рассчитываются потери через окна и двери. Также при точном расчете мощности берется во внимание расположение дома относительно сторон света.

Подсчет тепловых потерь ведется отдельно для каждой стены, пола и потолка, а полученные данные затем суммируются.

Еще один важный момент: при расчете тепловых потерь используется усредненное значение разницы температур внутри дома и на улице. Простой пример: температура в доме равна 25 С, а на улице мороз -10 С, тогда разница температур составляет 35 градусов. В течение отопительного сезона температура окружающей среды может принимать различные значения, но для выбора котла отопления важен самый холодный месяц в году. Расчет ведется именно по нему. Поэтому расчет по удельной тепловой энергии, соответствующей вашему региону проживания, не требует дополнительного запаса по мощности: результат будет и так достаточно точным, но подходит он только для строений с уровнем тепловых потерь, соответствующим действующим нормам.

Если ваш дом утеплен недостаточно, или, напротив, имеет усиленную тепловую изоляцию, такой расчет не даст нужного результата.

Как учесть особенности дома и точно рассчитать котел самому?

Точный расчет тепловых потерь производится при разработке проекта дома. Если проекта нет, а дом утеплен самостоятельно, нужно рассчитать тепловые потери строения и по ним выбрать подходящий котел. Для этого лучше всего воспользоваться онлайн калькулятором, только выбирать его нужно на хорошо зарекомендовавших себя ресурсах.

Не нужно пытаться рассчитать отопление и выбрать котел с помощью калькулятора, для которого нужна лишь площадь дома и количество окон в нем. Он вряд ли сможет дать вам исчерпывающий ответ.

Доверять можно только онлайн калькуляторам по расчету тепловых потерь, запрашивающим полные сведения о строении: его размеры, высоту кровли, толщину стен и теплоизоляционных материалов, а также сведения обо всех используемых строительных материалах, размер окон, дверных проемов, наличие лоджий и балконов, принцип действия вентиляции и наличие подвального помещения. Для онлайн калькулятора также важна средняя температура самого холодного месяца в году или регион вашего проживания. Только при учете всех этих сведений можно действительно рассчитать тепловые потери и по ним определить требуемую мощность котла.

Мощность котла и горячее водоснабжение

Если котел отопления планируется использовать не только для отопления, но и для горячего водоснабжения, при расчете мощности придется учитывать еще и расход энергии на нагрев воды. При этом учитывается максимальная нагрузка, возникающая при одновременном заборе воды из всех существующих в доме кранов.

Следует отметить, что нагрев воды может осуществляться двумя способами:

с помощью бойлеров косвенного нагрева, в которых создается запас горячей воды,
с помощью теплообменников, нагревающих проточную воду.

Нагрев воды в бойлерах происходит постепенно. При этом процесс нагрева теплоносителя не прекращается. Более того, использование бойлеров косвенного нагрева увеличивает эффективность работы котла, а запас тепловой энергии в объеме горячей воды увеличивает тепловую инерцию системы отопления, делая ее более стабильной. При расчете котла с бойлером косвенного нагрева достаточно сделать запас мощности 5-10%.

Котлы, рассчитанные на нагрев не только теплоносителя, но и воды для ГВС, называются двухконтурными. Они могут иметь различную конструкцию, но принцип действия у них один и тот же: при включении забора горячей воды нагрев теплоносителя прекращается, а все тепло, вырабатываемое котлом, расходуется только на нагрев горячей воды.

В итоге котел для обеспечения требуемой температуры в доме должен работать с запасом мощности, ведь при нагреве воды для ГВС температура теплоносителя неизбежно снизится и в доме может стать прохладнее.

Если забор горячей воды непродолжительный, снижение температуры вряд ли удастся ощутить. Но если в доме живут настоящие любители водных процедур, способные часами принимать душ, снижение температуры теплоносителя может стать критическим фактором для системы отопления и даже привести к ее разморозке.

Исходя из этого, расчет двухконтурного котла отопления производят с учетом потребностей в отоплении и в горячем водоснабжении, суммируя обе эти величины.

Подведем итоги

Рассчитать мощность отопления можно приблизительно, используя примитивную формулу: для обогрева 1 м3-41 Вт тепла. Более точные результаты можно получить при использовании удельной потребности в тепловой энергии, рассчитываемые отдельно для каждого региона страны. Однако этот расчет не учитывает особенностей конкретного строения и степень его тепловой изоляции.

Более точные результаты можно получить с помощью онлайн калькулятора расчета тепловых потерь.

Для двухконтурных котлов отопления дополнительно рассчитывается потребность в тепловой энергии на горячее водоснабжение.

Расчет и подбор теплообменника, электронагревателя для бассейнов

Расчет и подбор теплообменника, электронагревателя для бассейнов

Как выбрать нагреватель?
Нагреть и поддерживать температуру воды в бассейне можно при помощи теплообменника, подключенного к отопительному котлу(схемы обвязки), или используя специальный электрический водонагреватель.
Для работы системы с теплообменником можно использовать как отдельный котел, так и котел системы отопления жилого дома.

Упрощенно теплообменник можно подобрать следующим образом:
— Для уличных бассейнов мощность теплообменника ( кВт) равна объему бассейна (м3)
— Для бассейнов, расположенных в помещении, мощность теплообменника ( кВт) равна 3/4 объема бассейна (м3)

Фактическая производительность теплообменника зависит от жидкостей в первичном и вторичном контуре, а также от разницы температур в этих контурах. Для коррекции номинальной производительности, указанной в таблицах, следует пользоваться диаграммами А и Б (Паспорт производителя).

Диаграмма А.

Отображает зависимость величины производительности теплообменника от разницы температур в первичном и вторичном контуре системы.

Например, для теплообменника 11312 Hi-Temp:
— Номинальная производительность из таблицы равна 40 кВт
— Температура первичного (горячего) контура = 70 °С
— Температура вторичного (холодного) контура = 10 °С
— Разница температур составит: 70 — 10 = 60 °С

Из графика находим, что при разнице температур 60 °С фактическая производительность соответствует 100% от номинальной, 40 кВт.

Диаграмма Б.

Отображает зависимость величины производительности теплообменника от разницы потоков в первичном и вторичном контуре системы. Если потоки в контурах теплообменника отличаются от приведенных в таблицах, то следует скорректировать номинальную производительность, вычислив ее как среднее арифметическое между значениями, взятыми из графика, для каждого потока в отдельности.

Например для теплообменника 11312 Hi-Temp:
— Отклонение потока в первичном контуре = 40,8 / 34,0 х 100% =120 %, во вторичном = 210 / 300 х 100% = 70 %
— Из графика находим величины соответственно 110 % и 80 %
— Общая коррекция = (110% + 80 %) / 2 = 95 % Фактическая производительность = 40 кВт * 95% = 38 кВт

Для ориентировочного расчета потребной энергии P, без учета потерь, для нагрева воды на ΔT °С за t
часов, можно воспользоваться эмпирической формулой (1). Для расчета времени нагрева воды на ΔT °С
при заданной проиводительности теплообменника P, можно воспользоваться формулой (2).

Где: P = энергия, кВт
t = время, часы
ΔT = разница температур в контурах, °С
V = объем воды, м3

Пример: Требуется расчитать время нагрева воды бассейна до температуры от 5 °С до 25 °С
— Объем бассейна: 30 м3
— Температуры начальная и заданная: Т1 = 5 °С, Т2 = 25 °С
— Производительность теплообменника: Р = 6 кВт
Результат: t = 1,16 x (25 — 5) / 6 x 30 = 116 часов.

Калькулятор для подбора теплообменников Pahlen

Электрические проточные водо нагреватели

Электрические водонагреватели предназначены для нагревания непрерывного потока жидкости с минимально возможным перепадом давлений. Компактная конструкция позволяет производить монтаж в ограниченном пространстве. Водонагреватели поставляются с различными комбинациями защиты от перегрева и термостатами.

Упрощенно электрические водонагреватели подбираются так:
— Для уличных бассейнов мощность водонагревателя (кВт) равна 1/2 объема бассейна (м3)
— Для закрытых бассейнов, мощность водонагревателя (кВт) равна 1/3 объема бассейна (м3)

Энергия, необходимая для нагрева воды

Количество энергии, необходимое для нагрева воды, пропорционально разнице температур чего?

Q = m⋅Cp⋅ΔT

Где…

м = масса нагретой воды

Cp = теплоемкость воды (1 БТЕ / фунт ºF)

ΔT = разница температур.

Не забывайте согласовывать единицы измерения.

Поскольку C _p измеряется в фунтах, масса нагретой воды также должна измеряться в фунтах.Таким образом, если вы знаете только количество галлонов, вы должны преобразовать его в фунты. Один галлон воды = около 8,3 фунта, поэтому умножьте количество галлонов на 8,3, чтобы определить вес в фунтах.

Пример 1

По оценкам Министерства энергетики США, семья из четырех человек, принимающая душ в течение 10 минут в день, потребляет около 700 галлонов горячей воды в неделю. Вода для душа поступает в дом при температуре 55ºF и ее необходимо нагреть до 120ºF.

Чтобы рассчитать необходимое количество тепла, определите переменные:
м = масса нагретой воды = 700 галлонов = 5810 фунтов
C _p — теплоемкость воды = 1 БТЕ / фунт ºF (дано)
ΔT = разность температур = 120 ºF — 55 ºF

Тепловая энергия, необходимая для нагрева 700 галлонов, может быть рассчитана следующим образом:

Требуемое тепло = 5810 фунтов x 1 БТЕ / фунт ºF x (120 ºF — 55 ºF)
Требуемое количество тепла = 5810 фунтов x 65 ºF
Требуемое количество тепла = 377 650 БТЕ / неделя

Потребность в тепле на один год:

377650 БТЕ / неделя x 52 недели / год = 19 637 800 БТЕ / год или 5755 кВт · ч

Предполагается, что стоимость природного газа составляет 10 долларов США за MMBTU (1 MMBTU = 1000000 BTU), а стоимость электроэнергии равна 0. 092 за кВтч, затраты на газ составят 196,37 долларов, а затраты на электроэнергию — 529,46 долларов. Понятно, что электрическое тепло дороже природного газа.

Пример 2

Оцените% экономии энергии электрического водонагревателя, который нагревает 100 галлонов воды в день, когда температура устанавливается на 110 ° вместо 120 ° F. Подвал отапливается и имеет температуру 65 ° F. Срок службы водонагревателя — около 10 лет. Используйте соответствующую стоимость электроэнергии и сравните эксплуатационные расходы.

Требуемое количество тепла (БТЕ) = m x C _p x (разница температур)

Где C _p — теплоемкость воды (1 БТЕ / фунт / фут), а m — масса воды (предположим, что в 1 галл. Приходится 8,3 фунта воды, а 3,412 БТЕ = 1 кВт · ч)

Решение:

Энергия, необходимая для нагрева воды до 120 ° F :

= м × Cp × ΔT

= 100 галдей × 8,3 фунт-галл︸м × 1 БТЕЛб ° F︸Cp × (120-65) ° F︸ΔT

= 100 галдей × 8,3 фунта × 1 БТЕ / фунт ° F × (120-65) ° F

= 45 650 БТЕ / день

В год необходимое количество энергии:

45650 БТЕ в день × 365 дней в году = 1662250 БТЕ в год

За 10-летний период необходимая энергия составляет 166 622 500 БТЕ, что равно 48 834 кВтч.

166 622 500 БТЕ × 1 кВт · ч 4412 БТЕ = 48 834 кВт · ч

Эксплуатационные расходы в течение срока службы:

48834 кВтч2 × 0,09 USD кВтч = 4395,06 USD

Энергия, необходимая для нагрева воды до 110 ° F :

= м × Cp × ΔT

= 100 галдей × 8,3 фунт-галл︸м × 1 BTUlb ° F︸Cp × (110-65) ° F︸ΔT

= 100 галдей × 8,3 фунта × 1 БТЕ / фунт ° F × (110-65) ° F

= 37 350 БТЕ / день

В год необходимое количество энергии:

37350 БТЕ в день × 365 дней в году = 13 632 750 БТЕ в год

За 10-летний период необходимая энергия составит 136 327 500 БТЕ, что равно 39 995 кВтч.

136 327 500 БТЕ × 1 кВт · ч 4412 БТЕ = 39 995 кВт · ч

Эксплуатационные расходы в течение всего срока службы:

39 955 кВтч2 × 0,09 USD кВтч = 3 595,95 USD

Расчетная экономия энергии,% :

4395,06 долл. США — 3595,95 долл. США = экономия 799,11 долл. США

799,11 $ 4395,06 $ = 18,2% экономии

Как рассчитать потребляемую мощность в кВт для типовых применений нагревателя

Расчет отопления резервуара

При выборе нагревателя для обогрева резервуара вы должны сначала определить, требует ли приложение поддержания температуры или ее нужно поднять. Ниже приведены расчеты для каждого приложения. Вы также можете посетить наш веб-сайт и воспользоваться нашим онлайн-калькулятором; найдите ссылку на бесплатный калькулятор в верхней части страницы.

Поддерживаемая температура

Для расчета мощности, необходимой для поддержания температуры резервуара, вам необходимо определить площадь поверхности резервуара, температуру процесса, которую необходимо поддерживать, минимальную температуру окружающей среды и коэффициент сопротивления изоляции.

Площадь:

Цистерна круглая —

A (фут²) = (2 x p x r x в) + (2 x p x r²)

р = 3.14

r = радиус (фут)

h = высота (фут)

Бак прямоугольный —

A (фут²) = 2 x [(длина x ширина) + (длина x высота) + высота x ширина)]

l = длина (фут)

w = ширина (фут)

h = высота (фут)

После определения площади резервуаров поддерживаемая мощность KW может быть рассчитана следующим образом:

кВт = (A x (1 / R) x ΔT (° F) x SF) / 3412

A = площадь поверхности

R = R-значение изоляции

Используйте 0. 5 как R-значение неизолированного стального резервуара
Типичные примеры см. В таблице ниже
R-значение = толщина (дюймы) / k-фактор

ΔT = разница между заданной температурой процесса и самой низкой температурой окружающей среды

SF = коэффициент безопасности, рекомендуется 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт

Таблица 1

Тип изоляции	R-Value / дюйм толщины
Стекловолокно	Р-3
Минеральное волокно	Р-3.7
Силикат кальция	Р-2
Пенополиуретан с открытыми ячейками	Р-3,6
Пенополиуретан с закрытыми ячейками	Р-6
Пена для распыления полиизоцианурата	R-6

Пример:

Резервуар для высоковязкой сырой нефти диаметром 42 ‘x 40’ с изоляцией R-6 должен поддерживаться при температуре 75 ° F при минимальной температуре окружающей среды 10 ° F.

A = (2 x 3,14 x 21 x 40) + (2 x 3,14 x 21²)

A = 8044,68 фут²

кВт = (8044,68 x 1/6 x 65 x 1,2) / 3412

кВт = 30,65

Повышение температуры

Расчет кВт для повышения температуры материала в баке (нагрев) начинается с той же информации, которая требуется в приложении для обслуживания. Кроме того, нам потребуется вес нагреваемого материала, удельная теплоемкость материала и время, необходимое для нагрева материала от начальной до конечной температуры.Расчет кВт для повышения температуры выглядит следующим образом:

кВт всего = кВт выработка + техническое обслуживание

кВт

кВтПогрева = [(M x Cp x ΔT x SF) / 3412] / т

M = вес материала в фунтах

Cp = удельная теплоемкость, см. Примеры в таблице

ΔT = разница между заданной (конечной) температурой процесса и начальной температурой

SF = коэффициент безопасности, рекомендуется 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт

t = время в часах

KWmaintain = (A x (1 / R) x ΔT (° F) x SF) / 3412

A = площадь поверхности

R = R-значение изоляции

Используйте 0. 5 как R-значение неизолированного стального резервуара

ΔT = разница между заданной температурой процесса и самой низкой температурой окружающей среды

SF = коэффициент безопасности, рекомендуется 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт

Пример:

Резервуар размером 4 x 6 x 12 дюймов с 1800 галлонами воды необходимо нагреть с 60 ° F до 95 ° F за 3 часа. Резервуар имеет изоляцию R-4, а минимальная температура окружающей среды составляет 0 ° F.

Для начала нам нужно преобразовать галлоны воды в фунты:

фунтов = G x D1

G =

галлонов

D1 = фунты на галлон из таблицы ниже

фунтов = 1800 x 8.34

фунтов = 15 012

Если объем резервуара указан в кубических футах (фут3), формула будет выглядеть следующим образом:

фунтов = C x D2

C = кубические футы материала

D2 = фунты на фут³ из таблицы ниже

Таблица 2

Материал	Д 1 фунтов / галлон	Д 2 фунт / фут³	Удельная теплоемкость
вода	8. 34	62,4	1
# 1 мазут	6,8	50,5	0,47
№ 2 мазут	7,2	53,9	0,44
№ 3,4 мазут	7,5	55,7	0,425
№ 5,6 мазут	7,9	58,9	0,41
Бункер С	8,15	61	0.5
Масло по SAE 10-50	7,4	55,4	0,43
этиленгликоль	9,4	70	0,55
50% этиленгликоль / вода	8,8	65,8	0,76
воздух	–	0,073	0,24
азот	–	0,073	0,25

кВт Разогрев = [(15 012 x 1 x 35 x 1.2) / 3412] / 3

КВт = 61,6

плюс

KWmaintain = (288 x 1/4 x 95 x 1,2) / 3412

KWmaintain = 2,4

кВт всего = 64

Расчет для нагрева воздуха в воздуховоде

Когда объем воздуха в стандартных кубических футах в минуту (SCFM) и требуемое повышение температуры в ° F (ΔT) известны, требуемая мощность обогревателя в киловаттах (кВт) может быть определена по следующей формуле:

кВт = (SCFM x ΔT) / 3193

Обратите внимание, что CFM дан при стандартных условиях (SCFM): 80 ° F и нормальном атмосферном давлении 15 psi. CFM при более высоком давлении (P) и температуре воздуха на входе (T) можно рассчитать следующим образом:

SCFM = ACFM x (P / 15) x [540 / (T + 460)]

Пример:

Сушильная печь, работающая при избыточном давлении 25 фунтов на кв. Дюйм (10 фунтов на квадратный дюйм), рециркулирует 3000 кубических футов воздуха в минуту через нагреватель, который повышает его температуру с 350 до 400 ° F.

Чтобы выбрать подходящий обогреватель:

Шаг 1: Преобразуйте 3000 куб. Футов в минуту при 25 фунтах на кв. Дюйм и 350 ° F в куб. Фут в минуту при стандартных условиях, используя приведенную выше формулу:

3000 x (25/15) x [540 / (350 ° F + 460)] = 3333 SCFM

Шаг 2: Рассчитайте требуемую кВт:

[3333 SCFM x (400 ° F-350 ° F)] / 3193 = 52 кВт

Расчеты для систем циркуляционного нагревателя

При расчете мощности, необходимой для нагрева материала, протекающего через циркуляционный нагреватель, можно применить приведенное ниже уравнение KW. Это уравнение основано на критерии отсутствия испарения в нагревателе. Уравнение KW включает 20% -ный коэффициент безопасности, учитывающий тепловые потери оболочки и трубопроводов, изменение напряжения и допустимую мощность элементов.

кВт = (M x ΔT x x Cp x S.F.) / 3412

Где:

кВт = мощность в киловаттах

M = расход в фунтах / час

ΔT = повышение температуры в ° F (разница между минимальной температурой на входе и максимальной температурой на выходе.)

Cp = удельная теплоемкость в БТЕ / фунт ° F

С.Ф. = коэффициент безопасности 1,2

3412 = преобразование БТЕ в

кВт / ч

Пример водяного отопления:

У нас 8 галлонов в минуту воды с температурой на входе 65 ° F и температурой на выходе 95 ° F. Сначала преобразуйте скорость потока в фунты / час.

8 галлонов	х	1 фут³	х	60 мин	=	64,17 фут3 / ч
мин.		7.48 галлонов		1 час

Переведите в фунты / час, получите плотность и удельную теплоемкость из таблицы 2 выше.

64,17 фут³ / час x 62,4 фунта / фут³ = 4004 фунта / час

Теперь вычислите KW:

кВт	=	4004 фунта / час x (95-65) ° F x 1 БТЕ / фунт ° F x 1,2
кВт	=	3412
кВт	=	42

Пример газового отопления:

Воздух течет с давлением 187 кубических футов в минуту и давлением 5 фунтов на квадратный дюйм.Его необходимо нагреть от температуры на входе 90 ° F до температуры на выходе 250 ° F. Сначала преобразуйте расход в SCFM, используя формулу, приведенную ранее.

187 x (20/15) x [540 / (90 ° F + 460)] = 243,7 SCFM

Перевести в фунты / час, снова обращаясь к таблице 2 для плотности и удельной теплоемкости.

243,7 SFCM	х	60 мин	х	0,073 фунта	=	1067,4 фунта / час
		1 час		фут³

Теперь вычислите KW:

кВт	=	1067.4 фунта / час x (250-90) ° F x 0,24 БТЕ / фунт ° F x 1,2
кВт	=	3412
кВт	=	14,4

Если вам понравился этот пост, рассмотрите возможность оставить комментарий или подписаться на канал RSS , чтобы будущие статьи были доставлены вашему читателю каналов.

Урок физики

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 того, чтобы заставить единицу массы (скажем, грамм или килограмм) изменить свою температуру на 1 ° C. Удельная теплоемкость различных материалов часто приводится в учебниках. 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 отображаться 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 количество , указывает на то, что количество тепла, необходимое для повышения температуры вещества, зависит от того, сколько вещества имеется.Эту истину, несомненно, знает всякий, кто варил на плите кастрюлю с водой. Вода закипает при 100 ° C на уровне моря и при несколько пониженных температурах 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 гораздо 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» — это что-то вроде неправильного названия . Этот термин означает, что вещества могут обладать способностью удерживать то, что называется теплом. 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 другой 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, передаваемого к 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 вычисляется 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, что объект получил тепловую энергию от окружающей среды; это соответствовало бы повышению температуры и положительному значению ΔT. Отрицательное значение Q указывает, что объект выделял 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. Обычная 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 физическая проблема, решение начинается с определения известных величин и соотнесения их с символами, используемыми в соответствующем уравнении. В этой задаче мы знаем следующее:

м = 450 г
С = 4,18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 15 ° С
T _{окончательная} = 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 26,5 ° C помещают в чашку из пенополистирола, содержащую 50,0 граммов воды при температуре 88,6 ° C. Вода охлаждается, и металл нагревается до достижения теплового равновесия при 87,1 ° C. Предполагая, что все тепло, теряемое водой, передается металлу и что 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, теряемого водой (Q _вода), равно количеству тепла, полученного металлом (Q _металл). Поскольку значения m, C и ΔT воды известны, можно рассчитать Q _water.Это значение Q _воды равно значению Q _{металла}. Как только значение металла Q _{известно, его можно использовать вместе 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
С = 4,18 Дж / г / ° C
Т _{начальная} = 88,6 ° С
Т _финал = 87. 1 ° С
ΔT = -1,5 ° C (T _{конечная} — T _{начальная})

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: Определение стоимости металла C

Дано:

Q _металл = 313.5 Дж (используйте знак +, поскольку металл нагревается)
m = 12,9 г
Т _{начальная} = 26,5 ° С
T _{окончательная} = 87,1 ° C
ΔT = (T _{конечный} — T _{начальный})

Решить для C _металл:

Переставьте Q _{из металла} = m _{из металла} • C _{из металла} • ΔT _{из металла} для получения C _{из металла} = Q _{из металла} / (м _{из металла} • ΔT _{из металла})

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 прилагаемое уравнение (Q = m • C • ∆T) связывает тепло, получаемое или теряемое 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 указано имя, обычно связанное 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 вещество, от того, сколько вещества 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 — 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 приводятся 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 грамм 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 _сварка
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 (в расчете на грамм) и ΔH _{испарения} представляет собой удельную теплоемкость плавления. испарение (из расчета на грамм).Как и в случае с 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 _сварка = (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 простой расчет типа plug-and-chug. Теперь мы попробуем Пример задачи 4, который потребует значительно более глубокого анализа.

Пример задачи 4
Какое минимальное количество жидкой воды на 26.5 градусов, что потребуется, 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 _{окончательная} = 0,0 ° C
ΔT = -26,5 ° C (T _{конечная} — T _{начальная})

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

Q _лед = -Q _{жидкая вода}

Знак — означает, что один объект получает энергию, а другой объект ее теряет. 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)

Еще раз о кривых 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).Два горизонтальных участка 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, передаваемого воде в секциях 2 и 4, связано с массой образца и теплотой плавления и испарения по формулам Q = m • ΔH _fusion (раздел 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 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 _fusion (333 Дж / г) и ΔH _{парообразования} (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 _{начальная} = -200 ° C и T _{конечная} = 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.

Использовать 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 _{начальная} = 0,0 ° C и T _{конечная} = 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.

Использовать Q ₄ = м • 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.

Использование Q ₅ = m • C • ΔT

, где m = 50,0 г, C = 2,01 Дж / г / ° C, T _{начальная} = 100,0 ° C и T _{конечная} = 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 преобразования твердой воды (льда) при -20 ° C в газообразную воду при 120 ° C, представляет собой сумму 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 помечены как Q ₁, Q ₂ и т. Д. Такой уровень организации требуется в многоступенчатой задаче, такой как эта.
Секунда: внимание было уделено знаку +/- на ΔT. Изменение температуры (или любой величины) всегда рассчитывается как окончательное значение величины минус начальное значение этой величины.
Третий: На протяжении всей задачи 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 отказа 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.

Мы узнали здесь, на этой странице, 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, может быть довольно холодно в начале июля, 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 берет из туалета банку с газировкой и наливает ее на лед в чашке. Определите количество тепла, теряемого содой комнатной температуры при плавлении 61,9 г льда (ΔH _fusion = 333 Дж / г).

6. Теплота сублимации (ΔH _{сублимации}) 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).

Как рассчитать время нагрева или охлаждения | Блог

Во многих случаях может быть полезно узнать, сколько времени потребуется для нагрева или охлаждения вашей системы до определенной температуры.Или вы можете рассчитать, сколько энергии требуется для нагрева или охлаждения данного объема жидкости за определенное время.

К счастью, есть довольно простое уравнение, которое можно использовать, если вы знаете массу жидкости в ванне, ее удельную теплоемкость, разницу температур, а также мощность или время.

Тем не менее, использование этого уравнения не совсем надежно, так как существуют различные факторы, которые могут нарушить расчет. В этом посте мы рассмотрим уравнение для расчета времени нагрева или охлаждения и причины, по которым вам следует искать систему с чуть большей мощностью, чем вы думаете, что вам нужно.

Расчет времени нагрева или охлаждения

Вы можете использовать то же основное уравнение для расчета времени нагрева или охлаждения, хотя для расчета времени охлаждения требуется немного больше работы. При нагревании подаваемая мощность постоянна, но при охлаждении мощность (или охлаждающая способность) изменяется в зависимости от температуры.

Расчет времени нагрева

Чтобы узнать, сколько времени потребуется для нагрева ванны до определенной температуры, можно использовать следующее уравнение:

t = mcΔT / P

Где:

т — время нагрева или охлаждения в секундах
м — масса жидкости в килограммах
c — удельная теплоемкость жидкости в джоулях на килограмм и на Кельвин

ΔT — разница температур в градусах Цельсия или Фаренгейта
P — мощность, с которой подается энергия, в ваттах или джоулях в секунду

Аналогичным образом, чтобы рассчитать мощность, необходимую для нагрева или охлаждения ванны до определенной температуры за заданное время, вы можете использовать это уравнение:

P = mcΔT / т

Хотя этим уравнениям довольно просто следовать, может возникнуть некоторая путаница, когда дело доходит до того, какие единицы использовать.Вместо этого вы можете использовать онлайн-калькулятор.

Этот красивый и простой калькулятор позволяет рассчитывать время, мощность или потребляемую энергию, но он годится только для расчетов с использованием воды. Если вам нужно рассчитать время нагрева для других жидкостей, этот калькулятор больше подходит, поскольку он позволяет вам ввести удельную теплоемкость вещества, которое вы используете. У него есть две опции, позволяющие рассчитать требуемую мощность или время.

Калькулятор услуг по технологическому отоплению.

Расчет времени охлаждения

Для расчета времени охлаждения можно использовать то же уравнение, что и выше. Вопрос в том, какое значение вы должны использовать для мощности. Холодопроизводительность (или мощность охлаждения) зависит от температуры. Холодопроизводительность снижается при более низких заданных температурах, потому что разница температур между охлаждающей жидкостью и хладагентом меньше. Теплопередача снижается, поэтому снижается охлаждающая способность.

Например, вот характеристики холодопроизводительности для охлаждающих и нагреваемых циркуляционных ванн PolyScience 45 л.

У вас есть несколько вариантов, в зависимости от того, насколько точно вы хотите, чтобы ваш расчет был:

Используйте консервативную оценку , предполагая более низкую мощность до следующей указанной температуры. Например, принимая указанные выше характеристики, вы можете предположить, что холодопроизводительность составляет 250 Вт для всех температур от -20 ° C до 0 ° C и 800 Вт для всех температур от 0 ° C до 20 ° C.
Возможно заниженная оценка, но с большей точностью. путем измерения средней мощности между различными температурами.
Используйте быстрый и грязный (и, вероятно, менее точный) метод , учитывая только охлаждающую способность при средней температуре.
Выбирайте альтернативный быстрый метод , который использует средние значения холодопроизводительности в различных точках диапазона температур (точки должны включать верхний и нижний концы диапазона температур, чтобы это было жизнеспособным).

Что делать, если ваша минимальная температура ниже минимальной указанной температуры холодопроизводительности? Как правило, это не должно вызывать беспокойства, поскольку значения холодопроизводительности обычно указываются для температуры, равной или ниже минимальной температуры блока.

Если вы пытаетесь охладить до более низкой температуры, она может быть слишком низкой, а это значит, что устройство не сможет обеспечить необходимую вам охлаждающую способность. Однако, если в технических характеристиках не указана охлаждающая способность при температуре, близкой к минимальной температуре устройства, вы можете попросить производителя или нас предоставить необходимую информацию.

Факторы, которые следует учитывать при расчете времени нагрева или охлаждения

Как уже упоминалось, есть несколько причин, по которым ваши расчеты могут не дать реалистичного результата.Таким образом, если вы используете это уравнение для определения времени нагрева или охлаждения, вы должны предположить, что процесс займет немного больше времени, чем ожидалось. Точно так же, если вы используете расчет, чтобы определить, сколько мощности вам нужно для достижения заданного времени нагрева или охлаждения, вы должны предположить, что потребуется некоторая дополнительная мощность.

Вот факторы, которые необходимо учитывать:

1. Повышение или потеря тепла окружающей среды

Прирост или потеря тепла из-за окружающей среды неизбежны даже в закрытой системе. Охлаждаемая система может поглощать тепло из окружающего воздуха или компонентов системы, снижая ее охлаждающую способность. В системе отопления вы можете терять тепло в окружающий воздух или компоненты системы, например, когда оно проходит по трубам или трубам.

Изоляция вашей системы и контроль температуры окружающей среды могут помочь, но все же может наблюдаться неизвестное количество тепла.

2. Потери жидкости из-за испарения

Если вы работаете с открытой системой, вы можете потерять часть жидкости из-за испарения во время процесса нагрева или охлаждения.Количество происходящего испарения будет зависеть от нескольких факторов, в том числе:

Какую жидкость вы используете: Жидкости с более низкой точкой кипения, такие как этанол, метанол и вода, могут легко испаряться.
Площадь поверхности ванны: Чем больше площадь поверхности, тем выше скорость испарения.
Используемый диапазон температур: Чем выше температура, тем выше скорость испарения.

Потеря тепла происходит из-за испарения, и когда вы тратите тепловую энергию, время, необходимое для нагрева ванны, увеличивается.Кроме того, в результате потери жидкости значение массы (m) в уравнении не будет точным, что может привести к ухудшению результатов. Если вы используете смесь двух или более жидкостей, и один компонент смеси испаряется быстрее, чем другие, соотношение будет изменено, что приведет к неточности в определении удельной теплоемкости (c).

Испарение трудно предсказать и точно учесть (и если вы достаточно хорошо разбираетесь в термодинамике, чтобы делать это с комфортом, вы, вероятно, не читали бы эту статью).Таким образом, лучше всего либо оценить скорость испарения с помощью эмпирического теста, а затем учесть это математически, используя теплоту испарения, либо просто добавить коэффициент безопасности.

3. Проблемы с обслуживанием

В отопительных системах на элементах водяной бани обычно накапливается накипь из-за отложений минералов. При отсутствии контроля это накопление может повлиять на эффективность передачи тепла от элемента к жидкости. Из-за отложений накипи, изолирующих элемент, требуется больше энергии для нагрева системы до желаемой температуры.

При нагреве это увеличивает время, необходимое для достижения желаемой температуры в системе заданной мощности. Если вы смотрите на мощность, она увеличит количество энергии, необходимое для достижения желаемой температуры за определенное время.

Для систем охлаждения на охлаждающую способность также могут влиять проблемы с обслуживанием. В конденсаторах с водяным охлаждением коррозия, накопление накипи или биологический рост могут препятствовать передаче тепла, снижая охлаждающую способность. В конденсаторах с воздушным охлаждением скопление пыли и мусора на лопастях и ребрах вентилятора может уменьшить воздушный поток, оказывая аналогичный эффект снижения охлаждающей способности.

Регулярное обслуживание вашего устройства, включая очистку различных компонентов, промывку жидкости и использование ингибитора коррозии, может помочь.

Сколько энергии потребляет мой водонагреватель?

Ваш водонагреватель — один из самых надежных потребителей энергии среди ваших бытовых приборов. По данным Министерства энергетики, в среднем доме на водонагреватель приходится около 17 процентов от общего потребления энергии.Однако если вы сможете подсчитать, сколько энергии вы расходуете на нагрев воды, вы будете вооружены информацией, необходимой для повышения эффективности и сокращения ваших счетов до минимума.

Сколько электроэнергии потребляет водонагреватель?

Точное количество ватт, которое потребляет электрический водонагреватель, зависит от ряда переменных, в том числе от возраста и размера устройства, от того, является ли он резервуаром или моделью по запросу, на какую температуру вы его устанавливаете, сколько горячей воды вы используете. через день и другие факторы.Вы можете рассчитать стоимость, умножив количество ватт, которое использует ваш обогреватель, на цену, которую вы платите за киловатт-час, на количество часов, в течение которых обогреватель работает в день, а затем разделив на 1000. Как правило, водонагреватель, использующий бак, работает от трех до пяти часов в день. Таким образом, нагреватель мощностью 4000 Вт, используемый в течение трех часов в день по цене 0,10 доллара за кВт · ч, будет стоить 1,20 доллара в день, около 36,50 долларов в месяц или 438 долларов в год.

Сколько газа использует водонагреватель?

Если вы используете газовый водонагреватель, на стоимость влияют те же факторы, что и на их электрические собратья.Формула для расчета вашего счета также аналогична: умножьте количество тепла, которое ваш обогреватель использует в час, на количество часов, в течение которых он работает, на цену, которую вы платите за термостат. Например, если вы платите 1 доллар за термостат и используете обогреватель, который потребляет 0,205 терма в час в течение трех часов в день,

ваши итоги составляют около 0,62 доллара в день, 18,70 доллара в месяц и 224 доллара в год.

Эксплуатационные расходы на газовые и электрические водонагреватели

Вообще говоря, газовый водонагреватель будет стоить меньше в месяц, чем электрическая модель, поскольку цены на природный газ, как правило, ниже, чем стоимость электроэнергии. Следуя приведенным выше примерам, где электрический обогреватель стоит 438 долларов на топливо против 224 долларов на газ, вы сэкономите 214 долларов в год, используя газ, хотя точные цифры, которые вы видите, будут зависеть от всех других переменных, таких как эффективность вашего подразделения.

Чтобы уточнить свои расчеты, учтите, что количество газа, потребляемого водонагревателем, зависит от его коэффициента энергии или рейтинга EF. Чем выше число, тем лучше, поскольку самые эффективные модели весят около 0,67. Если вам необходимо приобрести электрический водонагреватель, ищите модели с рейтингом EF 90-х годов.Вы также можете поискать модели, в которых используются альтернативные методы нагрева воды, такие как солнечные обогреватели или тепловые насосы.

Сколько электроэнергии потребляет безрезервуарный водонагреватель?

Водонагреватели без резервуаров нагревают воду по требованию, а не хранят резервуар, который постоянно поддерживается горячим. Вообще говоря, эти устройства будут потреблять меньше энергии, чем традиционные водонагреватели, хотя количество электроэнергии, потребляемой водонагревателями без резервуаров, все равно будет зависеть от спроса, который вы создаете в своем доме. Поскольку им не нужно нагревать воду, когда вы их не используете, безбаковые обогреватели могут работать только два часа в день или около того.

По данным Министерства энергетики, безбаковые обогреватели примерно на 24-34 процента эффективнее обогревателей с резервуарами в домах, которые используют 41 галлон или меньше горячей воды в день, или на 8-14 процентов эффективнее в домах, которые используют 86 галлонов горячей воды вода или больше. Однако имейте в виду, что эти модели также будут стоить дороже и могут потребовать новой проводки в вашем доме, что компенсирует часть вашей экономии энергии.

Как свести ваши счета к минимуму

Чтобы сократить потребление электроэнергии или газа для горячей воды и снизить счета, примите во внимание следующие советы:

Уменьшите значение термостата: Многие водонагреватели по умолчанию настроены на 140 градусов, но при 120 достаточно горячая температура для большинства бытовых нужд и создает меньший риск ожога.
Не задерживайтесь в душе слишком долго: Горячий душ может быть расслабляющим удовольствием, и никто не предлагает вам страдать под холодным душем зимой.Однако подумайте о том, чтобы ограничить время купания и не заниматься 20 или 30-минутными продолжительными сеансами очистки. Один из способов свести потребление воды к минимуму — выключить душ на время мытья и мытья головы, а затем восстановить поток, чтобы смыть.
Установите смесители с низким расходом и лейки для душа: Чем меньше воды проходит через вашу арматуру в минуту, тем меньше тепла вам нужно израсходовать.
Изолируйте ваш резервуар: Недорогое теплоизоляционное одеяло может помочь вашему резервуару для воды сохранять тепло, поэтому он тратит меньше энергии на его повторное нагревание.
Найдите емкость, подходящую для вашей семьи: Вам необходимо, чтобы ваш водонагреватель был достаточно большим, чтобы выдержать самый загруженный час дня в вашем доме, но не настолько большим, чтобы расходовать энергию на отопление воды, которая вам не нужна. Ознакомьтесь с руководством Министерства энергетики по определению размеров нового водонагревателя, которое поможет рассчитать, сколько галлонов вам нужно в час, и найдите модель с соответствующей оценкой за первый час.
Обновление до более эффективной модели: Эффективность технологий постоянно улучшается, поэтому в следующий раз, когда вам понадобится новый водонагреватель, вы сможете сэкономить несколько долларов на своих счетах, вложив средства в модель с Ярлык Energy Star, обещающий быть одним из самых скромных потребителей энергии на рынке.
Не забывайте о других ваших бытовых приборах: Большая часть энергии, потребляемой вашей посудомоечной и стиральной машиной, связана с использованием горячей воды, поэтому инвестиции в эффективные приборы и использование настроек с низким энергопотреблением уменьшат нагрузку на горячую воду. водонагреватель.
Посудомоечная машина предпочтительнее мытья рук: Хотя посудомоечные машины используют свою долю энергии, они, как правило, используют меньше горячей воды, чем мытье посуды вручную, особенно если у вас есть высокоэффективная модель и вы ждете, чтобы запустить машину, пока у вас не появится полная загрузка посуды.

Постоянный ток с прямой энергией

Когда вы подпишетесь на план энергопотребления от Direct Energy, вы получите советы и инструменты, которые позволят вам быть в курсе использования энергии и сэкономить на счете.

Статьи по теме

Как рассчитать счет за электричество

Чтобы рассчитать счет за электроэнергию, вам нужно выполнить небольшую математику.

Сколько электроэнергии потребляет моя посудомоечная машина?

Получите откровенное исследование вопроса о том, сколько электроэнергии потребляет посудомоечная машина.

Счет за электроэнергию

Оценка ежемесячных затрат на электроэнергию поможет вам определиться с планом и лучшим бюджетом для ваших счетов за коммунальные услуги.

термодинамика — Расчет времени нагрева воды при расходе 150 л / мин. @ 1100 бар

Эти две очень простые в использовании формулы, вероятно, позволят легко определить порядок величины.

Время нагрева с заданной мощностью нагрева

T = V x 1000 куб.см / л x 4,17 x K / Вт секунд или T = 4170 В.К / Вт

Мощность, необходимая для нагрева во времени T

Мощность = Вт = = В x 1000 см3 / л x 4,17 x К / Т Вт или W = 4170 В.К / Т

Где

T = секунды
V = литры
K = повышение в градусах K (или C)
W = мощность нагрева в ваттах
4,17 = удельная теплоемкость воды в диапазоне от 20 C до 30 C с поправкой на среднюю плотность воды, поэтому единицы измерения — Дж / куб. K

Это увеличивается на любые потери
например, электрический чайник без изоляции имеет КПД 85% — 95% Энергия откачки частично увеличивает нагрев.

Ключевым фактором является количество тепла, сохраняемого в воде на кубический метр на каждый градус К (или градус С) повышения температуры. Как только это известно, все остальное можно рассчитать.
Более полезная, чем многие другие, таблица тепловых свойств воды может быть найдена здесь на полезном сайте «Engineering Toolbox». Вместо того, чтобы давать несколько цифр при нескольких выбранных температурах, это дает свойства в широком диапазоне температур, поэтому можно установить, оказывает ли температура значительное влияние на соответствующие свойства в контексте текущей проблемы.

Удельная теплоемкость воды составляет в среднем около 4,18 Дж на грамм * на градус К в диапазоне температур от 20 до 30 ° С, или 4,17 Дж на кубический сантиметр на градус К. При 0,01 Дж / единица / К мало что можно сделать. разница в вашем результате.

Цифры на куб. См и на грамм немного различаются, так как плотность воды в этом диапазоне незначительно меньше 1 г / куб. Удельная теплоемкость будет составлять около 4,18 Дж на грамм и 4,17 Дж / см 3 на градус К. Обычное значение равно 4.3 = 1000 литров И 1 литр = 10 x 10 x 10 см или 100 x 100 x 100 мм
Total_energy = SH x cc x дельта-C = SH x литры x 1000 x дельта-C
Мощность = энергия / секунда = общая_энергия / секунды.
Давление здесь не имеет значения, за исключением того, что оно может повлиять на плотность воды.
Посмотрите на сжимаемость воды, чтобы понять, насколько это важно.

Удвоение напора воды влияет на объем (конечно), но незначительно влияет на давление.

Потребляемая мощность

Энергия в объеме V литров = V x 1000 см3 / л x удельный вес г / см x SH x delta_T

В = 14,786 (рисунок пользователя)
delta_T = 10 K (рисунок пользователя)
SG = 1 (фактический рисунок свернут в SH — см. Текст)
SH = 4.17 Дж / куб.см / К (сюда входит SG — см. Текст)

Энергия = 14 786 x 1000 x 1 x 4,17 x 10 = 616 576 000 Дж или W.s

Таким образом, вы можете нагреть его за 1 секунду, используя 617000! Нагреватель кВт.
Это может быть сложно.

или за один час с 616 576/3600 секунд = 171 000 Вт тепла (+ потери)

Или с использованием элемента мощностью 3 кВт, который используется в водонагревателях для бытового потребления.
(Максимальный доступный размер обычно составляет 3 кВт — больше для специального использования). 616576000/3000 = ~ 57 часов!

Для нагрева и «8-часовой рабочий день» = 616.6 МДж / (8 х 3600) = 21,4 кВт.

Теплоемкость бака может быть значительной. Изоляция резервуара будет значительной.
Возможны другие потери.
Но это дает вам представление.

Энергетическая эффективность нагрева воды

Обзор учителя

Сводка

Ученики используют горелку Бунзена, микроволновую печь и электрическую плиту, чтобы определить, какой прибор нагревает воду наиболее эффективно. Учащиеся выполняют подробные расчеты, чтобы подтвердить свои выводы.

Цель

Студенты будут использовать наблюдения для расчета энергоэффективности различных методов отопления.

Безопасность

Убедитесь, что вы и ученики носите правильно подогнанные очки.
Проверьте безопасное использование горелок Бунзена или плиток. Будьте осторожны с учениками при обращении с горячей водой
, чтобы избежать ожогов.
Метан (природный газ) легко воспламеняется. При смешивании с воздухом в определенных пропорциях он может стать взрывоопасным. Избегайте возникновения искр или пламени при сборе газа.Метан токсичен при вдыхании. Работайте в хорошо проветриваемом помещении.

Материалы для каждой группы

1 горелка Бунзена
1 конфорка
1 метровый отрезок шланга НКТ
1 бак или ведро для воды
1 секундомер или часы с секундной стрелкой
1 бутылка содовой емкостью 2 л (прозрачная со снятой этикеткой)
Стакан 1 400 мл
1 спиртовой термометр
Подставка для 1 кольца с кольцом
1 пара щипцов для стаканов

Материалы для всего класса

1 микроволновая печь (общая для всех групп)
Различные объемные емкости, например, большие градуированные цилиндры для каждой группы

Требуемое время

Два-три урока, примерно по 45–50 минут каждый.

Лабораторные советы

Некоторым студентам может быть трудно придумать удовлетворительную схему сбора и измерения количества метана, собираемого из выхода газа. При необходимости дайте соответствующие подсказки и подсказки. Если в вашей лаборатории нет типичной стандартной газовой системы, подключенной постоянно, подумайте об использовании портативных газовых горелок, спиртовых ламп или любой другой альтернативной системы, которую вы обычно используете. Также подумайте об использовании портативных электрических погружных нагревателей вместо конфорок.Они намного более эффективны и стоят 10 долларов за обогреватель, что намного дешевле.

Если представить это как «лабораторный вызов», это базовое исследование может быть адаптировано как лабораторный практический экзамен, чтобы проверить, как студенты могут применять то, что они узнали. Вы можете варьировать сложность задачи, регулируя количество предоставляемой информации (например, энтальпию сгорания метана). Это исследование также дает возможность учесть общие экологические издержки, связанные с простой лабораторной процедурой.

Обсуждение перед лабораторией

Убедитесь, что учащиеся знакомы с правильным использованием горелок Бунзена, плит и микроволновых печей.