Данные задачи: t (длительность прохождения тока через нить накала) = 1 мин (60 с); R (сопротивление нити накала) = 250 Ом; I (сила тока) = 0,2 А.
Количество выделившейся теплоты за 1 минуту работы лампы определим по формуле (закон Джоуля — Ленца): Q = I2 * R * t.
Выполним вычисление: Q = 0,22 * 250 * 60 = 600 Дж.
Ответ: На нити накала лампы за 1 минуту выделится 600 Дж теплоты.
Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное.
Тепловое действие тока обусловлено тем, что свободные электроны, двигаясь с большой скорость, взаимодействуют с ионами металлов, ионами солей в растворах кислот и щелочей. Ионы начинают усиленно колебаться, двигаться, вращаться, то есть их энергия тоже повышается. Проводник или электролит нагревается.
Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.
Электрическая энергия превращается в тепловую энергию проводника; часть рассеивается, часть используется в бытовых целях (для нагревания).
Работа, которую совершает электрический ток, определяется количеством теплоты, выделяемой проводником:
Q = A
, где (A) — работа тока, (Q) — количество теплоты.
Работу тока рассчитывают по формуле:
A = U⋅I⋅t
. Тогда количество теплоты, исходя из закона сохранения энергии, также будет равно:
Q = U⋅I⋅t
.
Согласно закону Ома
U = IR
. Подставляя эту формулу в предыдущую, получим:
Q = I2⋅R⋅t
.
Количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока.
В процессе своих экспериментов получили такой же результат Джеймс Джоуль в Англии и Эмилий Христианович Ленц в России. В их честь закон имеет двойное название: закон Джоуля-Ленца.
Джоуль Джеймс Прескотт ((1818—1889)) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.
Эмилий Христианович Ленц ((1804—1865)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской Академии наук ((1830)), ректор Санкт-Петербургского университета (с (1863)). Результатом его исследований стало открытие взаимосвязей (на «языке математики») между электрическими и термодинамическими параметрами, между электрическими и магнитными параметрами при протекании тока в проводнике.
Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.
Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).
Для примера, перегрузка проводов на (25)% приводит к сокращению срока их службы где-то с (20) лет до (3—5) месяцев, а перегрузка проводов на (50)% — до нескольких часов.
Электронагреватели широко используются в бытовых электроприборах: чайниках, утюгах, каминах, плитках, паяльниках и т. д. Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока через неподвижные металлические проводники единственным результатом работы тока является нагревание этих проводников, и, следовательно,по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращается в тепло.
Работа (в джоулях), совершаемая током при прохождении его через участок цепи, вычисляется по формуле:
где:
- U — напряжение, В;
- I — сила тока, А;
- t- время, с.
Количество теплоты (Дж), выделенное в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока и вычисляется по закону Джоуля — Ленца:
где R — сопротивление проводника, Ом.
Произведем расчет количества теплоты, необходимой для того, чтобы вскипятить воду в чайнике, вмещающем 2 л. Напряжение сети U=220 В. Ток, потребляемый электрочайником, I= 4 А. Определить время закипания воды в чайнике, если КПД его 80% и начальная температура воды 20° С.
Исходные данные:
- U=220 В;
- I=4 А;
- m=2 кг;
- КПД=0,8;
- t=20° С;
- tкип = 100° С.
- Удельная теплоемкость воды С=4200.
Определим количество теплоты, необходимое для нагрева воды до температуры кипения.
Qпол = cm (tкип — t0) = 4200 * 2(100 — 20) = 672 000 Дж.
Определим общее количество теплоты, которое должен выделить нагревательный элемент электрочайника, с учетом потерь на нагрев керамики, корпуса чайника и внешней среды:
Определим время закипания воды в чайнике:
Отсюда находим t;
Мощность электрического тока. Зная работу, совершаемую током за некоторый промежуток времени, можно рассчитать и мощность тока, под которой, так же как и в механике, понимают работу, совершаемую за единицу времени. Из формулы, определяющей работу постоянного тока А = U//t, следует, что мощность его (Р) равна:
Нередко говорят о мощности электрического тока, потребляемой от сети, желая этим выразить мысль, что при помощи электрического тока (за счет тока) нагреваются утюги, электроплитки и т. д.
В соответствии с этим на приборах нередко обозначается их мощность, т. е. мощность тока, необходимая для нормального действия этих приборов. Так, например, для нормальной работы электроплитки на 220 В мощностью 500 Вт требуется ток около 2,3 А при напряжении 220 В (2.3 * 220 = 500).
На практике применяют более крупные единицы мощности: 1 гВт (гектоватт) = 100 Вт и 1 кВт (киловатт) = 1000 Вт.
Таким образом, 1 Вт есть мощность, выделяемая током 1 А в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В.
Единица работы, совершаемой электрическим током в течение 1 с при помощи 1 Вт, называется ватт-секундой, или иначе джоулем. Применяют и более крупные единицы работы: 1 гектоватт-час (гВт*ч) или 1 киловатт-час (кВт*ч), который равен работе, совершаемой электрическим током в течение 1 ч при мощности 1 кВт.
Длину и диаметр проволоки нагревательного элемента рассчитывают исходя из величины напряжения сети и заданной мощности нагревательного элемента. Сила тока при данном напряжении и мощности определяется по формуле:
омическое сопротивление проводника всегда вычисляется по формуле:
Зная величину тока, можно найти диаметр и сечение проволоки.
Основные данные для расчета нагревательных элементов:
| Допустимая сила тока, А |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Диаметр нихромовой проволоки при температуре 700° С, мм |
0,17 | 0,3 | 0,45 | 0,55 | 0,65 | 0,75 | 0,85 |
| Площадь поперечного сечения проволоки, мм2 |
0,0227 | 0,0707 | 0,159 | 0,238 | 0,332 | 0,442 | 0,57 |
Подставляя полученные значения в формулу:
где: l — длина проволоки, м; S — сечение проволоки, мм^2; R — сопротивление проволоки, Ом; р-удельное сопротивление проволоки (для нихрома р = 1,1, для фехраля р =1,3), Ом*мм^2/м, получим необходимую длину проволоки для нагревательного элемента.
Пример. Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью Р = 600 Вт при напряжении сети U = 220 В.
По этим данным находим диаметр и сечение проволоки: d= 0,45 мм, S = 0,159 мм^2. Тогда длина проволоки будет равна:
Точно так же можно рассчитать нагревательные элементы и для других электронагревательных приборов.
Примечание. При эксплуатации электрорадиотехнической аппаратуры необходимо знать сечение монтажных проводов — в зависимости от величины проходящего по ним тока. В таблице приведены максимально допустимые токи нагрузки для медных проводов различного сечения.
Допустимые токи нагрузки медных проводов (монтажных):
| Параметр | Сечение провода, мм^2 | ||||||||||||||
| 0,05 | 0,07 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,7 | 1 | 1 ,5 | 2 | 2,5 | 4 | 6 | 10 | |
| Наибольший допустимый ток, А |
0,7 | 1 | 1,3 | 2,5 | 3,5 | 4 | 5 | 7 | 10 | 14 | 17 | 20 | 25 | 30 | 54 |
Литература: В. Г. Бастанов. 300 практических советов, 1986г.
Принято считать,
что вся энергия, затрачиваемая на
освещение, переходит в теплоту, нагревающую
воздух помещения; при этом пренебрегают
частью энергии, нагревающей конструкции
здания и уходящей через них.
Количество тепла,
выделяемое источниками искусственного
освещения, определяют по электрической
мощности светильников. В тех случаях,
когда мощность светильников известна,
тепловыделения от источников света
Qосв,
кДж/ч, можно определить по формуле:
Qосв
=3,6∙ Nосв∙
ηосв,
(2.5)
если мощность
светильников не известна,
Qосв
= 3,6∙F∙qосв∙
ηосв,
(2.6)
где Nосв
– установленная мощность освещения,
Вт;
F
– площадь пола помещения, м2;
qосв
– максимально
допустимая удельная установленная
мощность освещения, Вт/м2.
Определяется по [14] или табл.2.2;
ηосв
– доля
тепла, поступающая от светильника в
различные зоны помещения, определяется
по [14] или табл.
2.3.
Если в помещении
предусматривается подача приточного
воздуха, не возмущающая верхнюю зону
помещения, из которой осуществляется
вытяжка, то ηосв
можно
определить по графе 3 табл.2.3.
В противном случае следует считать все
тепло поступающим в помещение (ηосв
определяется
по графе 2 табл.
2.3). Если
светильник расположен в пределах
вентилируемого подшивного потолка или
чердака, ηосв
определяется
по графе 4 табл.
2.3 вне
зависимости от схемы подачи и удаления
воздуха из помещения. При установке
вентилируемых плафонов, через которые
осуществляется вытяжка, ηосв
определяется
по графе 5 табл.
2.3.
Если осветительная
арматура и лампы находятся вне пределов
помещения (чердачные помещения
бесфонарного здания, остекленные стены
и т.д.), то доля тепла, поступающего в
помещение ηосв
, составляет
0,5 при люминесцентных лампах и 0,2 при
лампах накаливания.
Тепловыделения
от источников освещения рабочих мест
учитывают независимо от периода года
и времени суток, а от источников общего
освещения – с учетом времени суток и
архитектурно-планировочных решений.
Таблица 2.2
Максимальная
удельная установленная мощность
освещения
qосв,
Вт/м2
|
Наименование помещения |
qосв, Вт/м2 |
|
1 |
2 |
|
Кабинеты и рабочие комнаты, офисы, |
25 |
|
Проектные комнаты и залы, конструкторские |
35 |
|
Помещения для ксерокопирования, |
25 |
|
Помещения для работы с дисплеями, |
25 |
|
Читальные залы |
25 |
|
Операционные и кассовые залы банковских |
35 |
|
Помещения отдела инкассаций |
20 |
|
Классные комнаты, аудитории, учебные |
25 |
|
Групповые, игральные, столовые, комнаты |
25 |
|
Обеденные залы столовых, закусочных, |
14 |
|
Обеденные залы ресторанов 1-й категории |
20 |
|
Помещения приготовления пищи, резки |
25 |
|
Залы парикмахерских |
25 |
|
Залы заседаний, спортивные залы, фойе |
25 |
|
Палаты и спальные комнаты санатория |
12 |
|
Номера гостиниц |
12 |
|
Крытые бассейны, фойе клубов и |
20 |
|
Мастерские по ремонту часов, ювелирных бытовых |
|
|
• общее освещение |
20 |
окончание табл.
2.2
|
Наименование помещения |
qосв, Вт/м2 |
|
• на рабочем месте |
52 |
|
Залы обслуживания посетителей аптек |
14 |
|
Репетиционные залы досуговых и |
11 |
|
Зрительные залы клубов |
12 |
|
Торговые залы магазинов: |
|
|
• супермаркетов |
35 |
|
• продовольственных |
25 |
|
• промтоварных |
20 |
|
• хозяйственных |
14 |
|
Помещения хранения автомобилей |
10 |
Примечания:
1. В теплый период года тепло от
искусственного освещения, как правило,
не учитывают. Исключение составляет
помещение, не имеющее окон, помещения
торговых залов магазинов, помещения
многопролетных зданий при отсутствии
верхнего естественного света и помещения,
режим работы, которых вечерний или
ночной.
2. Частичный учет тепла от искусственного
освещения в теплый период года с
коэффициентом 0,3-0,5 возможен в помещениях
обеденных и актовых залах, в фойе и
других подобных помещениях, в которых
часть светильников работает днем
Таблица 2.3.
Доли тепла, ηосв,
излучаемого источником света, поступающие
в рабочую (числитель)
и верхнюю (знаменатель) зоны помещения
|
Тип источника освещения |
Способ установки светильника |
|||
|
у потолка |
> 0,5 м от потолка |
за подшивным потолком |
вентилируемый светильник |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Лампы накаливания |
1/0 |
0,9/0,1 |
0,85/0,151 |
0,8/0,2 |
|
Люминесцентные лампы |
1/0 |
0,7/0,3 |
0,6/0,41 |
0,5/0,5 |
|
1 В знаменателе указана доля |
Пример 2.2. Требуется определить
тепловыделения от источников общего
освещения люминесцентными лампами
диффузного рассеянного света в торговом
зале магазина промышленных товаров
площадью 200 м2. Светильники находятся
вне помещения.
Решение. По табл. 2.2 принимаем
Максимальную удельную установленную
мощность освещения qосв
= 20 Вт/м2. Доля тепловой энергии,
попадающей в помещение, ηосв =
0,5. Тогда тепловыделения в помещении,
определяемые по формуле (2.6), будут равны
Qосв =3,6∙
200∙20∙0,6 = 8640 кДж/ч.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
УДК621.3.032Шевченко М.В., Пустовой С.А., Кочетков А.В., Шайкин А.О.Учет количества теплоты, выделяемой люминесцентными лампами
Одним из самых распространенных источников света на данный момент и самым экономичным является семейство газоразрядных ламп.Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар. Считается,что первая газоразрядная лампа изобретена в 1856 году.Генрих Гайсслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. 23 июня 1891 года Никола Тесла запатентовал систему электрического освещения газоразрядными лампами (патент № 454,622), которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп, запатентованных им ранее (патент № 335,787 от 9 февраля 1886 г. выдан United States Patent Office). В 1926 году Эдмунд Гермер (Edmund Germer) и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой в более однородно белоцветной свет. Современные люминесцентные лампы являются высокотехнологичным прибором предназначенным для создания оптимального освещения.Однако если рассматривать в разрезе энергосберегающих технологий, то необходимо обратить внимание на факт теплового излучения люминесцентными лампами, величина теплового потока от которых не учитывается при расчетах. В помещениях сейчас используются два типа осветительных приборов: лампы накаливания и люминесцентные лампы. Количество тепла, поступившее от освещения, зависит от типа ламп, их мощности и способа их крепления в помещении.Теплопоступление от ламп рассчитывается по упрощенной формуле:Q = n∙N, (1)гдеn коэффициент перехода электроэнергии в тепловую. Он составляет около 0.95 для ламп накаливания и примерно 0.5 для люминесцентных ламп. N мощность ламп. Если она заранее не известна, можно оценить ее из расчета 50 100 Вт/кв.м. для хорошо освещенных помещений.При большом количестве ламп и постоянной их работе тепловая нагрузка от искусственного освещения может быть весьма велика. Если же известно, что не будут использоваться все светильники одновременно, нужно воспользоваться коэффициентом одновременности работы освещения, указывающим, какая часть мощности освещения в среднем будет задействована. Более точный расчёт тепловыделения проводится следующим методом:Измеряется площадь поверхности самой лампы, для этого сечение лампы делится на n–частей. Для расчёта берётся одна часть и считается её площадь сучётом угла наклона.
Рисунок 1 –Схема расчета тепловыделения лампыSi=∆L∙Lд , (2)где Si
площадь одного деления лампы;
∆L–длина окружности;Lд–длина лампы.
Потери мощности лампыРпот=∑Si∙αi∙∆T, (3) В результате расчётов на примере люминесцентной лампы мощностью 18 Вт, было получено упрощённым методом величина потерь 9 Вт. При более точном расчёте, с использованием коэффициента конвективного обмена, было полученозначение потерь 8,88 Вт.
Количество теплоты, выделяемое осветительными приборами, зависит так же и от их расположения в помещении. Например, если светильник закреплен в чердачном перекрытии, то лишь часть выделенного им тепла попадет внутрь помещения.
Если лампы встроены в подвесной невентилируемый потолок, то часть тепла сразу попадет в помещение, а остальное тепло задержится в подвесном потолке. Но поскольку потолок невентилируемый, то впоследствии и эта часть тепла выделится в помещение. Таким образом, в помещение попадут все 100% выделенного светильником тепла.
Если лампы встроены в подвесной вентилируемый потолок, который используют как вытяжной короб, то около 40% тепла сразу попадет в помещение. Часть оставшегосятепла (примерно половина) унесется с вытяжным воздухом, а остаток попадет в помещение. Таким образом, в сумме помещение получит 6070% выделенного светильником тепла.Нагрев люминесцентной лампы происходит неравномерно, в первую очередь нагреваются края лампы. Нами проведены измерения теплового потока люминесцентных ламп.В качестве измерительного прибора использовался тепловизорFLIRE60.Производились снимки люминесцентных ламп установленных в невентилируемых подвесных потолках (Рис.1.).Как видно на данных снимках, люминесцентная лампа греется неравномерно. Основная часть тепла выделяется с электродов, остальное излучается нагретым люминофором.
Люминесцентная лампа 36 Ватт
Люминесцентная лампа 28 Ватт
Рисунок 1 –Нагрев люминесцентных ламп разной мощностиНа рисунке 2 представлено тепловыделение светильника с установленными четырьмя люминесцентными лампами. Максимальная температура составляет 86,20С, минимальная 27,40С, средняя 45,80С.
Рисунок 2
Тепловыделение светильника с люминесцентными лампами мощностью 4×18 Ватт
В соответствии со стандартными методами расчета для обогрева одного кубического метра в доме стандартной постройки(без металлопластиковых окон,утепления пенопластом и иных энергосберегающих мер) для климатической зоны средней части России при обычных условиях жилья принято исходить из такой формулы расчета –на один кубический метр приходится сорок один ватттепловой мощности. Рассмотрим на примере помещенияс размерами 5∙4 м и с обычной высотой 2.7 м. Объём данного помещения равен 54 м2. Теперь полученный объём умножаем на 41 Втполучаем 2214 Вт, именно столько потребуется для обогрева помещения с данным объёмом. При среднем тепловыделении секции чугунного радиатора 180 Втнам потребуется 13 секций. Учитывая, что в помещении установлены шестьсветильников с люминесцентными лампами,мощность каждого светильника будет равняться 72 Вт. Исходя из этого количество тепла,выделяемого одним светильником равно 36Вт. Общее тепловыделение освещения в помещении равняется 216Вт, что равняется 9,75% от необходимой тепловой мощности для данного помещения. Исходя из этого,количество секций в радиаторе можно сократить на одну. Это применимо для офисных, складских, подсобных и производственных помещений, где требуемая температура требуется только в дневное время суток, и освещение используется на протяжении всего рабочего времени.
Для автоматизации расчетов нами был разработан программный продукт, предоставляющий возможности расчёта количества выделяемой теплоты в зависимости от количества ламп в светильнике, типа цоколя или трубки, длины лампы, средней температуры лампы, способа установки и средней температуры воздуха в помещении. Ниже на рисунке 3 приведён скриншот рабочей области программы с активными окнами для всех параметров.
Рисунок 3–Скриншот программы
Современные методы расчета микроклимата производственных и жилых помещений во многом несовершенны и требуют дополнительной проработки. В частности не решен вопрос полного учета тепла излучаемого осветительным оборудованием. В нормативной документации даны лишь общие рекомендации к учету теплового излучения.Нами проведены заметы температурного градиента для люминесцентных ламп и разработано программное обеспечение позволяющее ускорить процесс расчета. В соответствии с нашими измерения количества тепла излучаемое ими в помещение может достигать 9%, что представляет собой существенную величину и резерв развития технологий энергосбережения.Нами в дальнейшем планируется провести обследование люминесцентных ламп с учетом способа установки и создать программное обеспечение, позволяющее объективно оценивать количество теплопотерь от источников освещения.