IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Россия, в связи со своим географическим расположением имеет длинный отопительный сезон, что влечет за собой необходимость в дополнительных обогревателях. В многообразии современных обогревателей и целых их комплексов, которые мы можем сегодня приобрести в магазине, поистине легко затеряться, если не суметь разобраться в достоинствах и недостатках каждого конкретного прибора или устройства. Ни одна система обогрева, какой бы надежной или насыщенной сервисными функциями она ни была, не является «вечной»; неизбежно устаревает со временем и часто устаревает морально еще задолго до своего «физического» износа. Чтобы быть в авангарде в наш век высоких, технологий, научно-технического прогресса и динамично развивающегося рынка, ее приходится заменять новой, другой, более современной, чтобы потом снова приобрести еще более новую. Так мы меняем обогреватели для дома. Так как же выбрать новый обогреватель, и какие критерии важны при этом выборе?

Задачей любой системы обогрева является поддержание заданной температуры внутри помещения в то время, когда температура окружающей среды может значительно изменяться в зависимости от сезона и географического расположения.

Отопление - искусственный обогрев помещений для поддержания температуры, отвечающей условиям теплового комфорта (напр., 18-20С° в жилых помещениях), а иногда и требованиям технологического процесса. Под отоплением понимают также системы, выполняющие эти функции. Отапливают как жилые, так и нежилые помещения. Для первых важно создание теплового комфорта, необходимого для жизни людей и животных. Для вторых имеет значение соответствие температуры воздуха в помещении его назначению. Например, на ферме, должны быть созданы такие условиях, которые бы обеспечили комфортную жизнь поголовью скота. Температура же воздуха в производственном цехе должна отвечать требованиям технологического процесса.

Все существующие в настоящий момент системы отопления можно разделить на два основных класса:

• Конвекционные;

• Инфракрасные.

Конвекционные системы отопления

Конвекция - явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем смешивания самого вещества. Различают естественную конвекцию, вызванную неоднородностью среды и вынужденную конвекцию, вызванную внешним механическим воздействием на среду.

К конвекционным относятся конвекторы различного исполнения, которые в свою очередь делятся на:

• конвекторы естественного притока воздуха;

• конвекторы принудительного продува (тепловентиляторы и тепловые завесы).

Водяное центральное отопление

На территории России водяное отопление - самый распространенный вид централизованного и автономного отопления. Собственно говоря, называть данный вид отопления "водяным" не совсем корректно, так как в качестве теплоносителя может быть использована не только вода, но и любая другая теплоемкая жидкость, отвечающая необходимым физико-техническим требованиям. Правильнее такое отопление назвать "традиционным", тем более что этот термин существует, и обусловлен он именно широтой распространения водяных отопительных систем.

В традиционной системе отопления нагретый до необходимой температуры жидкий теплоноситель, которым чаще всего является аэрированная вода, проходя по системе трубопроводов и отопительных приборов, отдает свое тепло воздуху в отапливаемом помещении.

Особенности:

• высокая теплоемкость теплоносителя - единица объема воды содержит большее количество тепла по сравнению с иными видами теплоносителей (например, теплоемкость воды в 4000 раз больше теплоемкости воздуха, нагретого до той же температуры);

• создание комфортного температурного режима;

• в “отличие от прочих видов искусственного обогрева жилья, традиционное отопление трудоемко в установке и последующей эксплуатации;

• создание водяного трубопровода возможно только во время возведения или капитального ремонта здания, так как требует большого количества строительных работ;

• бесперебойную работу отопительной системы обеспечивает беспрерывный нагрев теплоносителя, а это значит, что нужно постоянно следить за работой генератора тепла;

• при отрицательных температурах вода замерзнет, что приведет к разрыву трубопровода, а отсутствие воды в системе традиционного отопления приведёт к ускорению коррозийных процессов.

Конвекторы

Конвекторы по своей сути являются теми же радиаторами. По виду топлива различают газовые и электрические конвекторы, по месту установки - напольные, подвесные и настенные конвекторы. Электрические конвекторы более популярны, чем газовые, так как у них невысокая цена и стоимость монтажа. Воздух, находящийся внутри конвектора, контактирует с нагревательным элементом и, нагреваясь, по законам физики поднимается наверх и выходит через жалюзи наружу. Холодный же воздух из помещения попадает в электроконвектор, проходя через отверстия в нижней части обогревателя. Тем самым создается направленное движение теплого воздуха.

Заметным шагом вперед при применении электроконвекторов стала их способность, благодаря наличию встроенного или выносного термостата (терморегулятора), самостоятельно поддерживать заданную температуру помещения в достаточно широком диапазоне (от О до 30°C) с весьма неплохой точностью (О,1°С - электронные, 0,5-1°С - электромеханические термостаты). Современные электроконвекторы выполняются с герметично запаянными электронагревательными элементами, вследствие чего допускается их эксплуатация во влажных и сырых помещениях, просты в монтаже и установке. К недостаткам можно отнести: конвективные потоки, "омертвление" воздуха, высокий температурный градиент по высоте помещения.

Тепловентиляторы

Тепловентиляторы - бытовые обогреватели, использующиеся в качестве дополнительного обогрева небольших помещений (к примеру, комнат, бытовок). Относятся к конвекторам принудительного продува. Современные

тепловентиляторы могут иметь очень разный внешний вид и размеры, но это не меняет общего принципа их работы. Они создают и распределяют поток

горячего воздуха по помещению; быстро нагреют воздух до комфортной температуры. Вентилятор забирает остывший воздух из помещения, подает его на нагревательный элемент, и далее поток горячего воздуха распределяется по помещению. Обычно выпускают бытовые тепловентиляторы мощностью 1,5 и 2 кВт. Тепловентиляторы с мощностью нагрева свыше 2 кBт. принято называть электрическими тепловыми пушками.

Основные преимущества бытовых тепловентиляторов - компактные размеры, небольшой вес, мобильность, низкая стоимость устройства и высокая скорость обогрева помещения. Основной недостаток - заметный шум: звуковое давление, по паспортным данным, в режиме максимальной мощности самого тихого тепловентилятора - 15 дБ.

Бытовые тепловентиляторы выпускают спиральные и с керамическим

нагревательным элементом.

Бытовые тепловентиляторы разделяются на:

• спиральные (они дешевле, но «сжигают кислород»);

• керамические (стоимость их выше, но они не «сжигают кислород», т. к. температура его рабочего элемента (керамической спирали) не так высока).

Такой тип обогревателей чаще всего используют в рабочих и офисных помещениях, где эксплуатация предполагается в рабочее время, когда шум от тепловентилятора не будет заметен на общем шумовом фоне.

Сфера применения тепловентиляторов довольно широка; их с успехом

можно применять даже для локального обогрева кроличьих клеток в сильные морозы или спального места в хлеве - для козочек.

Основными преимуществами тепловентиляторов можно назвать небольшие размеры, мобильность, быстрый локальный прогрев воздуха и низкую стоимость.

Масляные обогреватели

Это самые популярные и надежные бытовые обогреватели, применяемые для помещений площадью до 30. Они мобильны, обеспечивают безопасный и комфортный обогрев и могут использоваться 24 часа сутки. Масляные обогреватели имеют несколько режимов нагрева и снабжены термостатом, который в автоматическом режиме поддерживает заданную температуру. Нижняя граница термостата в некоторых моделях помечена значком «снежинка» - режим защиты от замерзания. В этом режиме обогреватель поддерживает температуру в помещении +5°С при минимальном расходе электроэнергии.

Для включения/выключения обогревателя в заданное время также используют модели масляных радиаторов с 24-часовым таймером. Некоторые современные модели снабжены вентилятором, благодаря чему теплообмен происходит значительно быстрее, а также датчиком движения для активации режима «быстрого» обогрева при приближении человека.

Схема приведена в п. 2.2.

Инфракрасные системы отопления

В основе инфракрасных (ИК) обогревателей используется другой принцип работы. Чтобы его понять мы немного углубимся в природу его появления и рассмотрим на примере солнца.

Солнце - источник электромагнитного излучения, которое, в зависимости от длины волны, делят на три части (рисунок 1). Первая видимый свет, который может быть при помощи обычной призмы расщеплен на семь цветов от фиолетового до красного (в порядке возрастания длины волны). Более короткие волны неразличимы невооруженным глазом и находятся за фиолетовой областью спектра. Отсюда и название - ультрафиолетовые волны. Наша атмосфера хорошо их поглощает. Длинные волны - это инфракрасное излучение (тепловое излучение), которое также невидимо и располагается с противоположной стороны солнечного спектра за красной областью. Нашими органами чувств оно воспринимается как обычное тепло. Диапазон инфракрасного излучения достаточно велик и его разбили на три поддиапазона коротковолновый, примыкающий к видимому свету, средневолновый и длинноволновый. Чем горячее предмет, тем более короткие волны он излучает, вплоть до видимого света (яркий пример - раскаленный стальной прут).

Инфракрасное отопление не так давно появилось в России, хотя аналоги уже давно пользуются в Сельском хозяйстве, где инфракрасные лампы давно уже незаменимы для обогрева молодняка. Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле - это Солнце, а самый известный на Руси искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей – это русская печь, и многие испытывали на себе ее влияние.

В западных странах инфракрасное отопление считается энерго-эффективным и уже широко используется.

Таким образом, ИК-обогреватели принято классифицировать по температуре излучающей поверхности (и соответствующей длине волны) на три категории:

• длинноволновые (низкотемпературные) - поверхности с температурой от 45°С до 300°C излучают длинные волны в диапазоне от 100 до 340 мкм (водяные инфракрасные панели, электрические ИК обогреватели и т.д.);

• средневолновые (среднетемпературные, или "тёмные" излучатели) поверхности с температурой от 300°С до 750°С излучают средние волны в диапазоне от 15 до 100 мкм (излучающие трубы с горячим воздухом или горячим газом);

• коротковолновые (высокотемпературные, или "светлые" излучатели) поверхности с температурами от 750°С и выше излучают короткие волны в диапазоне от 0,77 до 15 MKM (газовые излучатели с открытым пламенем).

Рисунок 1 - Спектр электромагнитного излучения

Кроме того, часто можно встретить разделение приборов лучистого отопления на «темные обогреватели» и «светлые обогреватели». Дело в том, что при сильном нагреве (накаливании) предмет меняет свой цвет, т.к. испускаемые им волны перемещаются в видимую область спектра. Низкотемпературные обогреватели не светятся, их излучение полностью находится в ИК-диапазоне. Поэтому они получили название «темные обогреватели». «Светлыми обогревателями» являются соответственно средне- и коротковолновые отопительные приборы. Каждая из групп инфракрасных обогревателей предназначена для решения своих задач по обогреву. В помещениях с небольшой высотой используются, как правило, приборы с невысокой температурой излучающей поверхности, которые дают хорошее рассеивание тепла и обеспечивают высокую степень комфорта. В помещениях с высокими потолками, на открытых площадках и в случаях зонального обогрева более предпочтителен выбор высокотемпературных обогревателей с открытыми элементами, которые дают более интенсивный и концентрированный тепловой поток.

Источником энергии для современных ИК-обогревателей могу служить газ, электричество и вода.

Газовые ИК обогреватели

Могут относиться к средне- и высокотемпературным обогревателям. Такое излучение по классификации относится к "жесткому" и при длительном воздействии оказывает негативное влияние на кожные покровы (аналогично тому, как лица и руки у людей, часто и подолгу просиживающих у костра). В «светлых» коротковолновых газовых ИК обогревателях основным нагревательным элементом является керамическая пластина (толщиной порядка 12 мм), внутри которой происходит сжигание газа. При этом температура поверхности керамики может достигать 1000С, Однако особенности ее конструкции и хорошие теплоизоляционные показатели пористой керамики обеспечивают высокий нагрев только на излучающей (рабочей) стороне, тыльная часть панели не прогревается более ~100C. Применение ИК-нагревателей можно считать удачным решением в основном в тех случаях, когда необходимо создать небольшой обогреваемый участок при высоких потолках, где человек будет находиться не постоянно, а время от времени, например в цехах.

В среднетемпературных газовых ИК обогревателях излучателями являются металлические трубки, каждая из которых обеспечивается системами подвода газа и электроэнергии, а также отвода продуктов горения. Воздух и газ поступают в специальную камеру, где образуют горючую смесь, которая в свою очередь сжигается в керамической пластине. Продукты сгорания равномерно распределяются внутри трубок, излучающих тепло.

Достоинство газовых ИК обогревателей - это один из самых дешевых

видов топлива, а к недостаткам можно отнести:

• модели, не оборудованные специальным подводом воздуха, выжигают кислород в помещении (особенно касается высокотемпературных обогревателей);

• при работе инфракрасного газового обогревателя в помещении появляется запах газа (зависит от качества сборки выбранного обогревателя);

• низкий уровень пожаробезопасности;

• для использования в помещении необходимо обеспечить отвод продуктов горения;

• высокая стоимость и сложность монтажа;

• имеют высокую температуру, прикосновение может быть опасным.

Электрические ИК-излучатели

Самые популярные ИК-излучатели. В основном представлены длинно- и средневолновыми приборами, хотя имеются коротковолновые модели. Основным компонентом, преобразователем электрической энергии в тепловую, как правило, является стальной трубчатый электронагреватель (ТЭН). Реже используется пленочный нагреватель, который имеет трехслойную конструкцию (между двумя полимерными пленками размещается угольно-графитовый порошок). Преобразователь устанавливается в корпусе из оцинкованной стали. В нем же находится отражатель из полированного алюминия. Задняя стенка корпуса защищена теплоизоляционным материалом (в основном минеральной ватой). При подаче тока ТЭН нагревается H тепло (в виде электромагнитных волн) с помощью отражателя излучается B зоны обогрева.

К достоинствам относятся:

• легкость, удобство эксплуатации и монтажа системы;

• при использовании современных автоматов защиты от короткого замыкания и перегрузок, а также устройств защитного отключения по току утечки вероятность пожара или поражения электрическим током близка к нулю;

• эффективная возможность регулирования подачи тепла;

• небольшие габаритные размеры отопительных приборов, которые к тому же не требуют особого ухода;

• высокая гигиеничность и экологические достоинства электрических обогревателей;

• бесшумность отопительной системы, так как для ее работы не нужны циркуляционные насосы;

• высокий КПД, обусловленный отсутствием теплоносителя, благодаря чему происходит прямое преобразование электрической энергии в тепловую.

Водяные ИК обогреватели

Потолочные водяные ИК обогреватели могут применятьсяна предприятиях химической, деревообрабатывающей, бумажнойпромышленности, а также в складских помещениях. Источником нагрева в данных приборах служит теплая или горячая вода (температурой от 40 до 120С). Поэтому водяные инфракрасные обогреватели относятся к группе низкотемпературных (длинноволновых) обогревателей.

Конструкция водяных потолочных ИК -обогревателей представляет собой панель, нижняя часть которой является излучающим экраном, а верхняя снабжена изоляцией с отражающим слоем, направляющим всё излучение вниз. Внутри панели расположены трубки (диаметром от 15 до 28 мм), проводящие воду. От них тепло передается экрану, который излучает волны, нагревая находящиеся в помещении предметы.

Сравнение характеристик наиболее популярных электрических

обогревателей

B таблицу 1 сведены наиболее популярныеэлектрические обогреватели конвекционного типа и их техническиехарактеристики.

Таблица 1 - Наиболее популярные обогреватели конвективного типа

Выводы и рекомендации

1. ИK обогреватели можно и нужно использовать там, где нет возможности (нет места на полу) установить обогреватель конвективного типа, например в свинарнике, для обогрева молодняка.

2. При использовании ИК-обогревателя не расходуется место «рабочей зоны» - установка производится на стены или потолок.

3. Конвективный обогреватель потребляет мощность на 50% меньше.

4. В реальности можно увеличить эффект конвективного обогревателя путем установки большего числа секции.

5. Исследование показало, что на действие длинноволнового ИК- обогревателя влияют воздушные потоки, T. е. он не подходит для больших помещений со сквозняками. В данном случае нужно ставить более интенсивный коротковолновый излучатель.

7. Нагрев масляным обогревателем меньше подвержен сквознякам и может осуществлять объемный обогрев (греет воздух, а не предметы).

8. Конвекторы инерционнее, чем ИК-обогреватели.

9. Конвектор (при отсутствии мешающих предметов) более равномерно обогревает помещение, хотя первую часть времени тепло уходит в подпотолочную зону.

10. Оптимальным решением будет применение обоих типов обогревателей вместе и управлять обогревом помещения с помощью электронных устройств (соотношение и количество рассчитывается для конкретных помещений).

Литература

1. Харечко В .H. , Рекомендации по электроснабжению индивидуальных жилых домов, коттеджей, дачных (садовых) домов и других частных сооружений. – 3 - е изд., переработка и доп. - М.: Энергосервис, 1999. - 99 с.

2. Правила устройства электроустановок. - 6 - е изд., переработка и доп.- М.: Главгосэнергонадзор, 1998. — 606 с.: ил.

3. Свод правил по проектированию И строительству. СП 31-110- 2003. - M.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2003. - 49 с.

4. Кудрявцев И.Ф. И Карасенко В.А., Электротехнический нагрев и электротехнология. - М.: Колос, 1975. - 379 с.

5. Строительная климатология. СНиП 23-01-99. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2000. - 100 с.

6. Строительная теплотехника. СНиП П - 3-79*. — М.: Минстрой России, 1995. - 57 с.:

7. Кисаримов Р.А., Справочник электрика. - 2-е изд., переработка и доп. - М.: ИП Радио Софт, 2002 - 512 с.

8. Зуль Н.М., Электроснабжение сельского хозяйства. - М.:Агропромиздат, 1990. - 496 с..

9. Симоновский С.Ф., Защита сельских электрических сетей от коротких замыканий и перегрузок. — М.: Колос, 1983. - 109 с..

10. Курсовое и дипломное проектирование по электроснабжению сельского хозяйства. / Л.И. Васильев, Ф.М. Ихтейман, С.Ф. Симоновский и др. - 2-е изд., переработка и доп. - М.: Агропромиздат, 1989. - 159 с.

Код для цитирования: Скопировать