О тепловой энергии простым языком!
Опубликовано 13 Окт 2013
Рубрика: Теплотехника | 117 комментариев
Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва,…
…энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.
Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.
Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.
Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С?.. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час?.. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!
Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!
Количество теплоты при различных физических процессах.
Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.
Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q, подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.
1. Твердое тело, имеющее температуру T1, нагреваем до температуры Tпл, затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1.
2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2— Q1.
3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп, затрачивая на это количество теплоты равное Q3—Q2.
4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4—Q3.
5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2. При этом затраты количества теплоты составят Q5—Q4. (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)
Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5, переводя вещество через три агрегатных состояния.
Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5, пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1. Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.
Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.
Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.
Главные формулы теплопередачи.
Формулы очень просты.
Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:
1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:
1.1. При нагревании (охлаждении):
Q=m*c*(Т2—Т1)
Здесь и далее:
m – масса вещества в кг
с – удельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)
1.2. При плавлении (замерзании):
Q=m*λ
λ – удельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг
1.3. При кипении, испарении (конденсации):
Q=m*r
r – удельная теплота газообразования и конденсации вещества в Дж/кг
2. Со стороны производства тепла, то есть со стороны источника:
2.1. При сгорании топлива:
Q=m*q
q – удельная теплота сгорания топлива в Дж/кг
2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):
Q=t*I*U=t*R*I^2=(t/R)*U^2
t – время в с
I – действующее значение тока в А
U – действующее значение напряжения в В
R – сопротивление нагрузки в Ом
Делаем вывод – количество теплоты прямо пропорционально массе вещества при всех фазовых превращениях и при нагреве дополнительно прямо пропорционально разности температур. Коэффициенты пропорциональности (c, λ, r, q) для каждого вещества имеют свои значения и определены опытным путем (берутся из справочников).
Тепловая мощность N в Вт – это количество теплоты переданное системе за определенное время:
N=Q/t
Чем быстрее мы хотим нагреть тело до определенной температуры, тем большей мощности должен быть источник тепловой энергии – все логично.
В жизни бывает часто необходимо сделать быстрый оценочный расчет, чтобы понять – имеет ли смысл продолжать изучение темы, делая проект и развернутые точные трудоемкие расчеты. Сделав за несколько минут расчет даже с точностью ±30%, можно принять важное управленческое решение, которое будет в 100 раз более дешевым и в 1000 раз более оперативным и в итоге в 100000 раз более эффективным, чем выполнение точного расчета в течение недели, а то и месяца, группой дорогостоящих специалистов…
Условия задачи:
В помещение цеха подготовки металлопроката размерами 24м х 15м х 7м завозим со склада на улице металлопрокат в количестве 3т. На металлопрокате есть лед общей массой 20кг. На улице -37˚С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть металл до +18˚С; нагреть лед, растопить его и нагреть воду до +18˚С; нагреть весь объем воздуха в помещении, если предположить, что до этого отопление было полностью отключено? Какую мощность должна иметь система отопления, если все вышесказанное необходимо выполнить за 1час? (Очень жесткие и почти не реальные условия – особенно касающиеся воздуха!)
Расчет выполним в программе MS Excel или в программе OOo Calc.
С цветовым форматированием ячеек и шрифтов ознакомьтесь на странице «О блоге».
Исходные данные:
1. Названия веществ пишем:
в ячейку D3: Сталь
в ячейку E3: Лед
в ячейку F3: Лед/вода
в ячейку G3: Вода
в ячейку G3: Воздух
2. Названия процессов заносим:
в ячейки D4, E4, G4, G4: нагрев
в ячейку F4: таяние
3. Удельную теплоемкость веществ c в Дж/(кг*К) пишем для стали, льда, воды и воздуха соответственно
в ячейку D5: 460
в ячейку E5: 2110
в ячейку G5: 4190
в ячейку H5: 1005
4. Удельную теплоту плавления льда λ в Дж/кг вписываем
в ячейку F6: 330000
5. Массу веществ m в кг вписываем соответственно для стали и льда
в ячейку D7: 3000
в ячейку E7: 20
Так как при превращении льда в воду масса не изменяется, то
в ячейках F7 и G7: =E7=20
Массу воздуха находим произведением объема помещения на удельный вес
в ячейке H7: =24*15*7*1,23=3100
6. Время процессов t в мин пишем только один раз для стали
в ячейку D8: 60
Значения времени для нагрева льда, его плавления и нагрева получившейся воды рассчитываются из условия, что все эти три процесса должны уложиться в сумме за такое же время, какое отведено на нагрев металла. Считываем соответственно
в ячейке E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,7
в ячейке F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=41,0
в ячейке G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8)=9,4
Воздух также должен прогреться за это же самое отведенное время, читаем
в ячейке H8: =D8=60,0
7. Начальную температуру всех веществ T1 в ˚C заносим
в ячейку D9: -37
в ячейку E9: -37
в ячейку F9: 0
в ячейку G9: 0
в ячейку H9: -37
8. Конечную температуру всех веществ T2 в ˚C заносим
в ячейку D10: 18
в ячейку E10: 0
в ячейку F10: 0
в ячейку G10: 18
в ячейку H10: 18
Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.
Результаты расчетов:
9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем
для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000=75900
для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000= 1561
для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000= 6600
для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000= 1508
для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000= 171330
Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем
в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900
В ячейках D14, E14, F14, G14, H14, и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).
10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается
для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60)=21,083
для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60)= 2,686
для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60)= 2,686
для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60)= 2,686
для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60)= 47,592
Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается
в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361
В ячейках D18, E18, F18, G18, H18, и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.
На этом расчет в Excel завершен.
Выводы:
Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.
При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).
Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.
Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост и понятен.
Ссылка на скачивание файла: raschet-teplovoy-moshchnosti (xls 19,5KB).
Другие статьи автора блога
На главную
Статьи с близкой тематикой
Отзывы
Тепловая мощность обычно обозначается в расчетах букой Q. Физический смысл тепловой мощности это количества тепла переданного в единицу времени (в системе СИ Дж/с=Вт).
Общие сведения.
Классическая формула определения мощности:
N=A/t
Для тепловых процессов выглядит, как:
Q=Qt/t
где Qt— количество теплоты (энергии) переданной, t — время передачи теплоты (энергии).
Широко используется в теплотехнических расчетах.
Единицы измерения.
Перевод единиц измерения тепловой мощности.
Калькулятор тепловой мощности. Перевод единиц измерения тепловой мощности (Вт, кВт, МВт, кал/час, ккал/час, Мкал/час, Гкал/час и т.д.)
Введите тепловую мощность (QQ)
Результат перевода единиц измерения тепловой мощности (QQ)
Результаты работы калькулятора тепловой мощности при переводе в другие единицы измерения тепловой мощности:
Примеры результатов работы калькулятора тепловой мощности:
Поделится ссылкой на расчет:
Единицы измерения.
- Вт— единица измерения в СИ. Обозначение в России: Вт; международное: W. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе, в обозначение параметров оборудования, технических устройств, при разработке проектной и рабочей документации;
- кВт— Обозначение в России: кВт; международное: kW. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе, в обозначение параметров оборудования, технических устройств, при разработке проектной и рабочей документации;
- МВт— Обозначение в России: МВТ; международное: MW. Данная единица измерения широко применяется при инженерных расчетах, в современной справочной литературе, в обозначение параметров оборудования, технических устройств, при разработке проектной и рабочей документации;
- калория/час— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: кал/час.
- ккалория/час— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: ккал/час. Данная единица измерения широко встречается справочной литературе;
- Мкалория/час— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: Мкал/час. Данная единица измерения широко встречается справочной литературе;
- Гкалория/час— внесистемные единицы измерения. Обозначение в России: Гкал/час. Данная единица измерения широко встречается справочной литературе.
Перевод единиц измерения тепловой мощности (в табличном виде).
| Переводимые единицы | Перевод энергии в тепловой мощности: | ||||||
| Вт | кВт | МВт | кал/час | ккал/час | Мкал/час | Гкал/час | |
| Вт | 1 | 10-3 | 10-6 | 859,845227 | 0,859845 | 0,85984*10—3 | 0,85984*10—6 |
| кВт | 103 | 1 | 10—3 | 0,859845227 | 0,85984*10—3 | 0,85984*10—6 | 0,85984*10—9 |
| МВт | 106 | 103 | 1 | 0,85984*10—3 | 0,85984*10—6 | 0,85984*10—9 | 0,85984*10—12 |
| кал/час | 0,001163 | 0,001163*10—3 | 0,00116*10-6 | 1 | 10-3 | 10-6 | 10-9 |
| ккал/час | 1,163 | 0,001163 | 0,001163*10—3 | 103 | 1 | 10-3 | 10-6 |
| Мкал/час | 1163 | 1,163 | 0,001163 | 106 | 103 | 1 | 10-3 |
| Гкал/час | 1163000 | 1163 | 1,163 | 109 | 106 | 103 | 1 |
Калькулятор тепловой мощности.
Калькулятор тепловой мощности (классическая формула).
Результат расчета тепловой мощности процесса (QN)
Формула расчета тепловой мощности процесса:
Скачать результат расчета тепловой мощности процесса:
Поделится ссылкой на расчет тепловой мощности:
Калькулятор тепловой мощности необходимой для нагрева вещества (материала). Общий вид.
Результат расчета тепловой мощности процесса (Qv1)
Формула расчета тепловой мощности процесса:
Скачать результат расчета тепловой мощности процесса:
Поделится ссылкой на расчет тепловой мощности:
В калькулятор по умолчанию введены данные для расчета тепловой мощности котла (водонагревателя) необходимой для нагрева 1 кг воды в течении 1-го часа с 5 ºС до 60 ºС.
Поделиться ссылкой:
Содержание:
Мощность:
Одинаковую работу можно совершить за разные промежутки времени. Например, можно поднять груз за минуту, а можно поднимать этот же груз в течение часа.
Физическую величину, равную отношению совершенной работы 
Единицей мощности в SI является джоуль в секунду (Дж/с), или ватт (Вт), названный так в честь английского изобретателя Дж. Уатта. Один ватт — это такая мощность, при которой работу в 1 Дж совершают за 1 с. Итак, 
Человек может развивать мощность в сотни ватт. Чтобы оценить, насколько могущество человеческого разума, создавшего двигатели, больше «могущества» человеческих мускулов, приведем такие сравнения:
- мощность легкового автомобиля примерно в тысячу раз больше средней мощности человека;
- мощность авиалайнера примерно в тысячу раз больше мощности автомобиля;
- мощность космического корабля примерно в тысячу раз больше мощности самолета.
Мощность
Механическая работа всегда связана с движением тел. А движение происходит во времени. Поэтому и выполнение работы, как и превращение механической энергии, всегда происходит на протяжении определенного времени.
Работа выполняемая на протяжении определенного времени:
Простейшие наблюдения показывают, что время выполнения работы может быть разным. Так, школьник может подняться по лестнице на пятый этаж за 1-2 мин, а пожилой человек — не меньше чем за 5 мин. Грузовой автомобиль КрАЗ может перевезти определенный груз на расстояние 50 км за 1 ч. Но если этот груз частями начнет перевозить легковой автомобиль с прицепом, то потратит на это не меньше 12 ч.
Для описания процесса выполнения работы, учитывая его скорость, используют физическую величину, которая называется мощностью.
Что такое мощность
Мощность — это физическая величина, которая показывает скорость выполнения работы и равна отношению работы ко времени, за которое эта работа выполняется.
Так как при выполнении работы происходит превращение энергии, то можно считать, что мощность характеризует скорость превращения энергии.
Как рассчитать мощность
Для расчета мощности нужно значение работы разделить на время, за которое эта работа была выполнена:
Если мощность обозначить латинской буквой 
, то формула для расчета мощности будет такой
Единицы мощности
Для измерения мощности используется единица ватт (Вт). При мощности 1 Вт работа 1 Дж выполняется за 1 с:
Единица мощности названа в честь английского механика Джеймса Уатта, который внес значительный вклад в теорию и практику построения тепловых двигателей.
Джеймс Уатт (1736-1819) — английский физик и изобретатель.
Главная заслуга Уатта в том, что он отделил водяной конденсатор от нагревателя и сконструировал насос для охлаждения конденсатора. Фактически он увеличил разность температур между нагревателем и конденсатором (холодильником), благодаря чему увеличил экономичность паровой машины. Позже теоретически это обоснует Сади Карно.
Он один из первых высказал предположение, что вода — это сложное вещество, состоящее из водорода и кислорода.
Как и для других физических величин, для единицы мощности существуют производные единицы:
Пример №1
Определить мощность подъемного крана, если работу 9 МДж он выполняет за 5 мин.
Дано:
Решение
По определению 
поэтому
Ответ. Мощность крана 30 кВт.
Пример №2
Человек массой 60 кг поднимается на пятый этаж дома за 1 мин. Высота пяти этажей дома равна 16 м. Какую мощность развивает человек?
Дано:
Решение
По определению 
Работа определяется 
Тогда 
Ответ. Человек развивает мощность 160 Вт.
Зная мощность и время, можно рассчитать работу:
Скорость движения зависит от мощности
Мощность связана со скоростью соотношением:
где 
— сила, которая выполняет работу; 
— скорость движения.
Если известны мощность двигателя и значения сил сопротивления, то можно рассчитать возможную скорость автомобиля или другой машины, которая выполняет работу:
Таким образом, из двух автомобилей при равных силах сопротивления большую скорость будет иметь тот, у которого мощность двигателя больше.
Каждый конструктор знает, что для увеличения скорости движения автомобиля, самолета или морского корабля нужно или увеличивать мощность двигателя, или уменьшать силы сопротивления. Поскольку увеличение мощности связано с увеличением потребления топлива, то средствам современного транспорта, как правило, придают специфическую обтекаемую форму, при которой сопротивление воздуха будет наименьшим, а все подвижные части изготавливают так, чтобы сила трения была минимальной.
Итоги:
- Существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная.
- Если тело перемещается или деформируется под действием силы, то выполняется механическая работа.
- Простыми механизмами являются рычаги и блоки.
- Ни один простой механизм не дает выигрыша в работе.
- Качество механизма определяется коэффициентом полезного действия, который определяет часть полезной работы в общей выполненной работе.
- Тело, при перемещении которого может быть выполнена работа, обладает энергией.
- Взаимодействующие тела обладают потенциальной энергией.
- Движущееся тело обладает кинетической энергией, которая зависит от скорости и массы тела.
- Потенциальная и кинетическая энергии могут превращаться друг в друга. Такие превращения происходят в равной мере, если отсутствуют силы трения.
- Сумму кинетической и потенциальной энергий называют полной механической энергией системы.
- В замкнутой системе при отсутствии сил трения сумма кинетической и потенциальной энергий остается постоянной.
- Закон сохранения и превращения энергии подтверждает невозможность существования вечного двигателя (perpetuum mobile).
- Мощность характеризует скорость превращения одного вида энергии в другой.
Механическая работа и мощность
С помощью импульса невозможно описать все случаи взаимодействия. Поэтому в физике применяют еще и понятие механической работы.
В механике работа зависит от значения и направления силы, а также перемещения точки ее приложения. Из курса физики 8 класса вам известно, что
A = Fs,
где F — значение силы, действующей на тело; s — модуль перемещения тела.
Если сила F постоянна, а перемещение 
прямолинейное (рис. 2.65), то работа 
где s = 
— угол между направлением действия силы и перемещения.
Робота является величиной скалярной. Произведение 
— проекция действующей силы на направление перемещения.
Легко заметить, что если 
< 90°, то работа силы положительная, при 
= 90° (сила перпендикулярна к перемещению) работа равна нулю, а при 
— отрицательная.
Пример №3
Девочка тянет санки равномерно, прикладывая к веревке силу 50 Н. Веревка натягивается под углом 30° к горизонту (рис. 2.66). Какую работу выполнит девочка, переместив санки на 20 м?
Дано:
F = 50 Н,
s = 20 м, 
= 30°.
А-?
Решение
По определению 
Соответственно 
Ответ: А = 870 Дж (работа силы положительная, поскольку cos 30° > 0).
- Заказать решение задач по физике
Пример №4
Решим предыдущую задачу для случая, когда девочка удерживает санки, съехавшие с горки (рис. 2.67). В данном случае 
= 150°.
Дано:
F = 50 Н, s = 20 м,
= 150°.
А — ?
Решение
А = Fscosa;
А = 50 Н • 20 м • (-0,87) 
-870 Дж.
Ответ: А = -870 Дж (работа силы отрицательная, поскольку cos 150° < 0).
Таким образом, в зависимости от направления действия силы по отношению к перемещению работа может иметь положительные и отрицательные значения.
Например, работа, которую выполняет двигатель автомобиля, будет положительной, поскольку направление силы тяги автомобиля совпадает с направлением его движения. Положительной будет и работа человека, поднимающего какой-либо груз с земли на определенную высоту. Силы трения, действующие на автомобиль, выполняют отрицательную работу, поскольку направлены в противоположном направлении к перемещению.
Возможны случаи, когда работа равна нулю, хотя перемещение тела происходит. Например, если 
= 90°, то работа силы равна нулю, поскольку cos90° = 0. Сила тяжести, действующая на спутник Земли, который движется по круговой орбите, работы не выполняет.
Мощность — это физическая величина, характеризующая скорость совершения работы. Поскольку во время выполнения работы происходит превращение энергии, можно сделать вывод, что мощность показывает скорость превращения одного вида энергии в другой.
В механике мощность обозначают буквой N и рассчитывают по формуле
N= — =—,
t t
где 
— изменение энергии; А — работа; t — время.
Если известны мощность и время, за которое совершена работа, то можно рассчитать и саму работу:
A = Nt.
Основная единица измерения мощности — ватт (Вт):
Всё о мощности
Одна и та же работа в разных случаях может быть выполнена за различные промежутки времени, т. е. она может совершаться неодинаково быстро. Например, при подъеме груза на определенную высоту подъемным краном (рис. 148) будет затрачено гораздо меньше времени, чем при использовании лебедки.
Для характеристики процесса выполнения работы важно знать не только ее численное значение, но и время, за которое она выполняется. Очевидно, что чем меньшее время требуется для выполнения данной работы, тем эффективнее работает машина, механизм и др.
Величина, характеризующая быстроту совершения работы, называется мощностью. Ее обычно обозначают буквой Р.
Если в течение промежутка времени Δt была совершена работа А, то средняя мощность равна отношению работы к этому промежутку времени:
Из определения видно, что мощность численно равна работе, совершаемой в единицу времени. Таким образом, единицей мощности является джоуль в секунду 
. Эта единица получила название ватт (Вт): 1 Вт = 1 
. Это название дано в честь английского ученого Джеймса Уатта — изобретателя универсального парового двигателя. Уаттом была впервые введена единица мощности, которая и до сих пор используется для характеристики мощности различных двигателей — 1 лошадиная сила (1 л. с. = 736 Вт).
Понятно, что во времена Уатта на заре технической революции мощность построенной паровой машины было естественно сравнить с мощностью лошади — единственным в то время «двигателем».
Может ли человек развивать мощность, равную 1 л. с.? Ответ на этот вопрос положительный. Рассмотрим разбег спортсмена на короткие дистанции. Хорошие спортсмены дистанцию в 100 м пробегают за 10 с, т. е. их средняя скорость 10 
. Разбег длится 3 с, а работа A, которую совершают мышцы спортсмена, не может быть меньше, чем кинетическая энергия 
, приобретенная им за время разбега. Следовательно, средняя мощность не меньше, чем
Если предположить, что масса спортсмена т = 80 кг, то
Разумеется, развивать такую мощность длительное время не сможет даже очень тренированный человек.Если известна мощность, то работа выражается равенством:
A = P∆t. (2)
Это позволяет ввести еще одну единицу работы (а значит, и энергии) следующим путем. За единицу работы можно принять работу, которая совершается некоторой силой в течение 1 с при мощности в 1 Вт. Она называется ватт-секундой. Понятно, что 1 Вт.c = 1 Дж. Часто используются более крупные внесистемные единицы работы и энергии: киловатт-час (кВт.ч) и мегаватт-час (МВт . ч):
1 кВт .ч= 1000кВт.3600 с = 3,6∙ 106 Дж;
1 МВт.ч= 1000кВт.3600 с = 3,6∙ 109 Дж.
При движении любого тела на него в общем случае действует несколько сил. Каждая сила совершает работу, и, следовательно, для каждой силы мы можем вычислить мощность.
Наиболее общее выражение для работы постоянной силы, направленной под углом 
к направлению движения. А = F∆rcos. Поэтому средняя мощность этой силы:
(3)
так как 
— модуль средней скорости тела.
Ясно, что если модуль силы в некоторой момент времени равен F и модуль мгновенной скорости υ, а угол между ними 
, то мгновенное значение мощности этой силы:
P = Fυcos. (4)
Как следует из формулы (4), при заданной мощности мотора сила тяги тем меньше, чем больше скорость движения автомобиля. Вот почему водители при подъеме в гору, когда нужна наибольшая сила тяги, переключают двигатель на пониженную передачу. Для движения по горизонтальному участку с постоянной скоростью достаточно, чтобы сила тяги преодолевала силу сопротивления движению. Формула (4) позволяет объяснить, что быстроходные поезда, автомобили, корабли, самолеты нуждаются в двигателях большой мощности и конструкции, обеспечивающей как можно меньшую силу сопротивления.
Любой двигатель или механическое устройство предназначены для выполнения определенной механической работы. Эта работа называется полезной работой. Для двигателя автомобиля — это работа по его перемещению, для токарного станка — работа по вытачиванию детали и т. п.
В любой машине, в любом двигателе полезная работа всегда меньше той энергии, которая затрачивается для приведения их в действие, потому что всегда существуют силы трения, работа которых приводит к нагреванию каких-либо частей устройства. А нагревание нельзя считать полезным результатом действия машины.
Поэтому каждое устройство характеризуется особой величиной, которая показывает, насколько эффективно используется подводимая к нему энергия. Эта величина называется коэффициентом полезного действия (КПД) и обычно обозначается греческой буквой η (эта).
Коэффициентом полезного действия называется отношение полезной )аботы, совершенной машиной за некоторый промежуток времени, ко всей утраченной работе (подведенной энергии) за тот же промежуток времени:
(5)
Коэффициент полезного действия обычно выражается в процентах, поскольку и полезную, и затраченную работы можно представить как произведение мощности на промежуток времени, в течение которого работала машина, то коэффициент полезного действия можно определить следующим образом:
где Pn и Р3 — полезная мощность и затраченная мощность соответственно.
Главные выводы:
- Мощность численно равна работе, которую совершает сила в единицу времени.
- Мощность силы равна произведению силы на скорость тела и косинус угла между направлением силы и скорости в данный момент времени.
- Коэффициентом полезного действия называется отношение полезной работы, совершенной машиной за некоторый промежуток времени, ко всей затраченной работе (подведенной энергии) за тот же промежуток времени.
- Взаимодействие тел
- Механическая энергия и работа
- Золотое правило механики
- Потенциальная энергия
- Криволинейное движение
- Ускорение точки при ее движении по окружности
- Инерциальные системы отсчета
- Энергия в физике
Тепловая мощность и суммарные потери теплоэнергии
Для создания комфорта в жилых и производственных помещениях выполняют составление теплового баланса и определяют коэффициент полезного действия (КПД) отопителей. Во всех расчётах применяется энергетическая характеристика, позволяющая связывать нагрузки источников обогрева с расходными показателями потребителей — тепловая мощность. Вычисление физической величины производится по формулам.
Для вычисления тепловой мощности используются специальные формулы
Эффективность нагревателей
Мощность — это физическое определение скорости передачи или потребления энергии. Она равна отношению количества работы за определённый промежуток времени к этому периоду. Нагревательные устройства характеризуются по расходу электричества в киловаттах.
Для сопоставления энергий различного рода введена формула тепловой мощности: N = Q / Δ t, где:
- Q — количество теплоты в джоулях;
- Δ t — интервал времени выделения энергии в секундах;
- размерность полученной величины Дж / с = Вт.
В этом видео вы узнаете, как рассчитать количество теплоты:
Для оценки эффективности работы нагревателей используют коэффициент, указывающий на количество израсходованного по назначению тепла — КПД. Определяется показатель делением полезной энергии на затраченную, является безразмерной единицей и выражается в процентах. По отношению к разным частям, составляющим окружающую среду, КПД нагревателя имеет неравные значения. Если оценивать чайник как нагреватель воды, его эффективность составит 90%, а при использовании его в качестве отопителя комнаты коэффициент возрастает до 99%.
Объяснение этому простое: из-за теплообмена с окружением часть температуры рассеивается и теряется. Количество утраченной энергии зависит от проводимости материалов и других факторов. Можно рассчитать теоретически мощность тепловых потерь по формуле P = λ × S Δ T / h. Здесь λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К); S — площадь участка теплообмена, м²; Δ T — перепад температур на контролируемой поверхности, град. С; h — толщина изолирующего слоя, м.
Из формулы понятно, что для повышения мощности надо увеличить количество радиаторов отопления и площадь теплоотдачи. Уменьшив же поверхность контакта с внешней средой, минимизируют потери температуры в помещении. Чем массивнее стена здания, тем меньше будет утечка тепла.
Количество теплоты
Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии W
meh. Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:
(~Delta W_{meh} = A.)
При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.
Количество теплоты
— это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (или отдает) в процессе теплообмена.
Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны энергии. Они не характеризуют само состояние системы, а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.
Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю). Количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m
от температуры
T
1 до температуры
T
2, рассчитывается по формуле
(~Q = cm (T_2 — T_1) = cm Delta T, qquad (1))
где c
— удельная теплоемкость вещества;
(~c = frac{Q}{m (T_2 — T_1)}.)
Единицей удельной теплоемкости в СИ является джоуль на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)).
Удельная теплоемкость
c
численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.
Теплоемкость
тела
C
T численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:
(~C_T = frac{Q}{T_2 — T_1} = cm.)
Единицей теплоемкости тела в СИ является джоуль на Кельвин (Дж/К).
Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты
(~Q = Lm, qquad (2))
где L
— удельная теплота парообразования. При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m
при температуре плавления, необходимо телу сообщить количество теплоты
(~Q = lambda m, qquad (3))
где λ
— удельная теплота плавления. При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется.
Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой m
,
(~Q = qm, qquad (4))
где q
— удельная теплота сгорания.
Единица удельных теплот парообразования, плавления и сгорания в СИ — джоуль на килограмм (Дж/кг).
Баланс отопления помещений
Подготовка проекта любого объекта начинается с теплотехнического расчёта, призванного решить задачу обеспечения сооружения отоплением с учётом потерь из каждого помещения. Сведение баланса помогает узнать, какая часть тепла сохраняется в стенах здания, сколько уходит наружу, объём потребной выработки энергии для обеспечения комфортного климата в комнатах.
Определение тепловой мощности необходимо для решения следующих вопросов:
- высчитать нагрузку отопительного котла, которая обеспечит обогрев, горячее водоснабжение, кондиционирование воздуха и функционирование системы проветривания;
- согласовать газификацию здания и получить технические условия на подключение к распределительной сети. Для этого потребуются объёмы годового расхода горючего и потребность в мощности (Гкал/час) тепловых источников;
- выбрать оборудование, необходимое для отопления помещений.
Не забываем про соответствующую формулу
Из закона сохранения энергии следует, что в ограниченном пространстве с постоянным температурным режимом должен соблюдаться тепловой баланс: Q поступлений — Q потерь = 0 или Q избыточное = 0, или Σ Q = 0. Постоянный микроклимат поддерживается на одном уровне в течение отопительного периода в зданиях социально значимых объектов: жилых, детских и лечебных учреждениях, а также на производствах с непрерывным режимом работы. Если потери тепла превышают поступление, требуется отапливать помещения.
Технический расчёт помогает оптимизировать расход материалов при строительстве, снизить затраты на возведение зданий. Определяется суммарная тепловая мощность котла сложением энергии на отопление квартир, нагрев горячей воды, компенсацию потерь вентиляции и кондиционирования, резерв на пиковые холода.
Что такое тепловой расчет?
Если говорить просто, тепловой расчёт помогает точно узнать, сколько тепла хранит и теряет здание, и сколько энергии должно вырабатывать отопление, чтобы поддерживать в жилье комфортные условия.
Оценивая теплопотери и степень теплоснабжения, учитываются следующие факторы:
- Какой это объект: сколько в нём этажей, наличие угловых комнат, жилой он или производственный и т. д.
- Сколько человек будет «обитать» в здании.
- Важная деталь это площадь остекления. И размеры кровли, стен, пола, дверей, высота потолков и т. д.
- Какова продолжительность отопительного сезона, климатические характеристики региона.
- По СНиПам определяют нормы температур, которые должны быть в помещениях.
- Толщина стен, перекрытий, выбранные теплоизоляторы и их свойства.
Могут учитываться и другие условия и особенности, например, для производственных объектов считаются рабочие и выходные дни, мощность и тип вентиляции, ориентация жилья по сторонам света и др.
Расчет тепловой мощности
Выполнить точные вычисления по системе отопления затруднительно для неспециалиста, но упрощённые способы позволяют рассчитать показатели неподготовленному человеку. Если производить расчеты «на глаз», может получиться, что мощности котла или нагревателя не хватает. Или, наоборот, из-за избытка вырабатываемой энергии придётся пускать тепло «на ветер».
Способы самостоятельной оценки характеристик отопления:
- Использование норматива из проектной документации. Для Московской области применяется величина 100-150 Ватт на 1 м². Площадь, подлежащая обогреву, умножается на ставку — это и будет искомый параметр.
- Применение формулы расчета тепловой мощности: N = V × Δ T × K, ккал/час. Обозначения символов: V — объём комнаты, Δ T — разница температур внутри и снаружи помещения, K — коэффициент пропускания тепла или рассеивания.
- Опора на укрупнённые показатели. Метод похож на предыдущий способ, но используется для определения тепловой нагрузки многоквартирных зданий.
Значения коэффициента рассеивания берут из таблиц, пределы изменения характеристики от 0,6 до 4. Примерные величины для упрощённого расчёта:
Расчет тепловой мощности: формула
Рассмотрим формулу и приведем примеры, как произвести расчет для зданий с разным коэффициентом рассеивания.
Vx(дельта)TxK= ккал/ч (тепловая мощность), где:
- Первый показатель «V» – объем рассчитываемого помещения,
- Дельта «Т» разница температур – это та величина, которая показывает насколько градусов внутри помещения теплее, чем снаружи,
- «К» коэффициент рассеивания (его еще называют «коэффициент пропускания тепла»). Величина берется из таблицы. Обычно цифра колеблется от 4 до 0,6.
Примерные величины коэффициента рассеивания для упрощенного расчёта
- Если это неутепленный металлопрофиль или доска то «К» будет = 3 – 4 единицы.
- Одинарная кирпичная кладка и минимальное утепление – «К» = от 2 до 3-ёх.
- Стена в два кирпича, стандартное перекрытие, окна и
- двери – «К» = от 1 до 2.
- Самый теплый вариант. Стеклопакеты, кирпичные стены с двойным утеплителем и т. п. – «К» = 0,6 – 0,9.
Более точный расчет можно произвести, высчитывая точные размеры отличающихся по свойствам поверхностей дома в м2 (окна, двери и т. д.), производя расчёт для них отдельно и складывая получившиеся показатели.
Тепловая мощность теплогенератора
Материал из ТеплоВики — энциклопедия отоплении
Мощность тепловая теплогенератора
— это количество теплоты, образуемое при сгорании топлива, подводимое к топке (горелке) в единицу времени. Характеризующим показателем тепловой мощности отопительного агрегата на твердом топливе принято считать значение КВт за 1 час работы. С одной стороны – это удобно, с другой стороны – это не совсем корректно. Просто, даже сам производитель не может сказать, однозначно и точно, какую тепловую мощность имеет отопительный агрегат, он знает только из собственных расчетов (теоритических или практических). Но самое главное, то что показатель тепловой мощности агрегата варьируется от паспортного значения при условиях эксплуатации. Основный условия эксплуатации можно выявить при значениях теплотворной способности топлива, количества закладного топлива в камеру сгорания и тяговых свойствах агрегата (как рабочие, так и холостые).
Количество теплоты при различных физических процессах.
Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход
из одного агрегатного состояния в другое
происходит при постоянной температуре
(при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.
Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.
1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .
2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2 — Q1 .
3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 — Q2 .
4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 — Q3 .
Содержание
Расчет тепловой мощности
Для расчета необходимой тепловой мощности нужно взять следующую формулу: P=V•∆T•K
- где Р
– это значение внесистемной единицы измерения количества работы и энергии (ккал/час); - V
– расчетный объем обогреваемого помещения, которое вычисляется перемножением длины на ширину и на высоту помещения, измеряемое в транскрипции как м 3 ; - ΔT
– это разница температуры между нужной (достигаемой) температурой прогреваемого помещения и внешней климатической температурой (°C); - К
– коэффициент теплового рассеивания, это условное значения тепловой потери (рассеивания), которое характеризует прогреваемое помещение по значениям: K=0,1-0,5 Утепленное помещение с гидробарьерными и паробарьерными изоляционными материалами. К таким помещениям можно отнести парильные помещения (бани, сауны), термопроизводственные помещения, камеры и хранилища. Очень хорошая теплоизоляция. - K=0,6-0,9 Улучшенная конструкция, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшое число окон со сдвоенными рамами, толстое основание пола, крыша из высококачественного теплоизоляционного материала. Хорошая теплоизоляция.
- K=1,0-1,9 Стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, крыша со стандартной кровлей. Средняя теплоизоляция.
- K=2,0-2,9 Упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и крыши. Небольшая теплоизоляция.
- K=3,0-4,0 Упрощенная деревянная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа. Без теплоизоляции.
В окончании расчетов Вы получите значение в ккал/час
. Чтобы перевести это значение в
кВт
, просто разделите это значение на 860 и получите требуемую мощность в КВт.
Расчет тепловой мощности котла
Тепловая мощность котла или нескольких котлов (работающих совместно) подбирается с учётом всех возможных потерь тепла обогреваемого здания.
Мощность котла (в грубом варианте) состоит из следующих составляющих:
- Тепловая мощность требуемая на полную компенсацию максимальных теплопотерь здания;
- Мощность на обогрев помещения в которой расположена котельная установка.
- Если котельная расположена в отдельно стоящем здании то к общей мощности котельной установки добавляется требуемая мощность на компенсацию теплопотерь в трубопроводах которые расположены между отапливаемым зданием и помещением котельной.
- Если в функции котельной установки входит приготовление горячей воды то к общей требуемой мощности добавляется тепловая нагрузка требуемая на нагрев воды для системы ГВС. При этом, на сегодняшний день, при применении современных изоляционных материалов в строительстве домов иногда делает эту тепловую нагрузку преобладающей, по сравнению с тепловой нагрузкой требуемую на другие нужды.
- Требуемая тепловая мощность на другие потребители (вентиляция, подогрев бассейна, подогрев наружных площадок и тд.)
Требуемая тепловая мощность на обогрев здания, помещения котельной и теплопотерь наружных трубопроводов определяется на основании теплового расчёта
(расчёт теплопотерь) и является основной для выбора мощности системы отопления.
При обеспечении тепловой тепловой энергией контура приготовления горячей воды
следует учесть все факторы влияющие на нормальный режим обеспечения горячей водой потребителей для получения наиболее надёжного, эффективного и экономичного варианта. Это может быть режим водопотребления, конструктивные особенности водонагревателя и котельной установки, требуемые объёмы горячей воды и тд. Например в частном домостроении в связи с малыми объёмами потребления горячей воды часто применяют переменный режим работы котельной установки между отоплением помещений и приготовлением горячей воды. Что позволяет существенно снизить мощность котлов а следовательно и затраты на оборудование и последующую эксплуатацию системы отопления.
Для чего нужен тепловой расчет?
Как умудрялись обходиться без тепловых расчётов строители прошлого?
Сохранившиеся купеческие дома показывают, что всё делалось просто с запасом: окна поменьше, стены потолще. Получалось тепло, но экономически не выгодно.
Теплотехнический расчёт позволяет строить наиболее оптимально. Материалов берётся ни больше ни меньше, а ровно столько, сколько нужно. Сокращаются габариты строения и расходы на его возведение.
Вычисление точки росы позволяет строить так, чтобы материалы не портились как можно дольше.
Для определения необходимой мощности котла также не обойтись без расчётов. Суммарная мощность его складывается из затрат энергии на обогрев комнат, нагрев горячей воды для хозяйственных нужд, и способности перекрывать теплопотери от вентиляции и кондиционирования. Прибавляется запас мощности, на время пиковых холодов.
При газификации объекта требуется согласование со службами. Рассчитывается годовой расход газа на отопление и общая мощность тепловых источников в гигакалориях.
Нужны расчёты при подборе элементов отопительной системы. Обсчитывается система труб и радиаторов – можно узнать, какова должна быть их протяжённость, площадь поверхности. Учитывается потеря мощности при поворотах трубопровода, на стыках и прохождении арматуры.
При расчетах затрат тепловой энергии могут пригодиться знания, как перевести Гкал в Квт и обратно. В следующей статье подробно рассмотрена эта тема с примерами расчета.
Полный расчет теплого водяного пола приведен в этом примере.
Знаете ли вы, что количество секций радиаторов отопления не берется с потолка? Слишком малое их количество приведет к тому, что в доме будет холодно, а чрезмерно больше создаст жару и приведет к чрезмерной сухости воздуха. По ссылке https://4air.ru/sistemy-otopleniya/raschet-sistem-otopleniya/kolichestva-sekcij-radiatorov.html приведены примеры правильного расчета радиаторов.
Расчет потребляемой мощности системы отопления
Эффективность работы отопительного оборудования напрямую связана с показателем тепловой мощности. От нее зависит комфортность и уют в помещении, обогреваемом посредством газа, дров или электричества. Поэтому пользователю важно знать, что собой представляет эта физическая величина и как она рассчитывается в каждом конкретном случае.
- Определение понятия тепловой мощности
- Необходимые характеристики
- Факторы, влияющие на потребность в тепле
- Для прибора (батареи отопления)
- Зачем нужен расчет мощностного показателя
- Расчет тепловой мощности
- Более точный тепловой расчет
Определение понятия тепловой мощности
Тепловая мощность оборудования напрямую зависит от количества потребляемой энергии котлом
Под мощностью тепловыделения понимается количество теплоты, образующееся при преобразовании исходного носителя в энергию обогрева. Этот показатель отличен по величине для разных видов энергоносителей и рассчитывается для каждого из них индивидуально. Для газовых котлов он зависит от объема природного или сжиженного газа, подводимого к горелке в единицу времени.
При рассмотрении электрических аналогов этот параметр напрямую связан с мощностью электроэнергии, потребляемой агрегатом от сети 220 или 380 Вольт и его тепловым КПД. Соотношение тепловых и электрических мощностей задается специальными формулами, переводящими одно значение в другое.
Необходимые характеристики
Главным узлом в отопительном котле является теплообменник
Расчет тепловой мощности очень важен, так как его результаты необходимы для определения параметров выбираемого образца отопительного оборудования. К последним традиционно относятся:
- электрическая мощность агрегата для энергозависимых моделей;
- эффективность преобразования (или КПД котла);
- производительность, определяемая как количество тепла, формируемое устройством в единицу времени.
Модели котлов, подключаемых к электросети, относятся к оборудованию с потребляемой мощностью системы отопления, приводимой к количеству сжигаемого твердого или газообразного топлива. Для независимых от электричества образов этот параметр определяется напрямую – без перерасчета на затраченную электроэнергию.
Эффективность работы любого отопительного агрегата в значительной мере зависит от правильности выбора узла, обеспечивающего преобразование тепловой энергии (теплообменника). Грамотное решение этого вопроса позволяет получить требуемую теплопроизводительность и комфортно чувствовать себя в доме даже в самые морозные дни.
Избытки по тепловой мощности нежелательны, поскольку в этом случае часть расходуемых средств тратится впустую.
Зачем нужен расчет мощностного показателя
Мощность котла выбирают по предполагаемому количеству приборов, которые придется обслуживать
Потребность в определении мощности объясняется тем, что основные характеристики котла зависят от следующих факторов:
- особенности конструкции и назначение отапливаемого объекта;
- размеры и форма каждого помещения;
- общее число жильцов;
- месторасположение на карте страны.
Расчетная мощность теплопередачи используется для определения параметров котельного оборудования, планируемого к установке именно в этом помещении. Будущий котел должен обладать производительностью, достаточной для его обогрева даже в самые холодные зимние дни. Также важно предусмотреть возможность согласованного подключения агрегата к магистральному трубопроводу. Проведенные расчеты помогут определиться с его длиной и типоразмером труб, а также с типом радиаторов и параметрами циркуляционного насоса.
Расчет тепловой мощности
Для оценки тепловой энергии существует формула определения мощности через количество теплоты: N = Q/Δ t, где Q – это количество теплоты, выраженное в джоулях, а Δ t – время выделения энергии в секундах.
При оценочных расчетах также используется специальный коэффициент (КПД), указывающий на объем израсходованного тепла. Он находится как отношение полезной энергии к мощности тепловых потерь и выражается в процентах.
Объем затраченной энергии для помещений зависит от их строительных особенностей. Тот же показатель для батарей определяется используемыми при их изготовлении материалами и особенностями конструкции.
Более точный тепловой расчет
Грамотный выбор нагревательного оборудования возможен лишь после ознакомления с порядком расчета тепловой мощности, требуемой в каждом конкретном случае. Формула, используемая для его точного определения, выглядит так: P=V∆TK= ккал/час:
- V – объем обогреваемого помещения, измеряемый в метрах кубических.
- ∆Т – разница между температурой воздуха вне и внутри помещения.
- К – коэффициент потерь тепла.
Последняя величина зависит от материала стен. На основании проведенных специалистами измерений для неутепленной деревянной конструкции она составляет 3,0-4,0. Точные значения К для различных вариантов утепления приведены ниже:
- Для зданий из одинарной кирпичной кладки и с упрощенными конструкциями окон и крыши (так называемая «простая» теплоизоляция) К=2,0-2,9.
- Утепление среднего качества (К=1,0-1,9). Это типовая конструкция, под которой понимается двойная кладка, крыша с обычной кровлей, ограниченное количество окон.
- Высококачественное утепление (К=0,6-0,9), предполагающее кирпичные стены с усиленной теплоизоляцией, малое число окон со сдвоенными рамами, прочное основание пола и крышу с надежными теплоизоляторами.
В качестве примера будет рассмотрен точный расчет мощности для нагреваемого помещения объемом 5 х 16 х 2,5 = 200 метров кубических. ∆Т определяется как разница показателя снаружи -20 °С и внутри помещения +25 °С. Принимается вариант со средней удельной теплоизоляцией (К=1-1,9). По усредненным условиям эксплуатации берем 1,7. Рассчитываем: 200 х 45 х 1,7 = 15 300 ккалчас. Исходя из того, что 1 кВт = 860 ккалчас, в итоге имеем: 15 300860 = 17,8 кВт.
Источник
Как найти количество теплоты зная мощность
Тепловое действие тока
Прохождение тока через проводник вызывает его нагрев. Это явление широко используется в различных областях. Например, всем хорошо знакомы такие бытовые приборы, как лампа накаливания, электрокипятильник, электрочайник, электрообогреватель, паяльник, утюг и другие приборы.
Также часто можно замечать, что провода, идущие к какому-то мощному электроприбору, нагреваются. Нагреваются и другие устройства, например, телевизоры, компьютеры и т.д.
Тепловое действие тока может быть как полезным (например в случае кипятильника или обогревателя), так и вредным (в случае нагрева проводов). Поэтому необходимо знать, сколько тепла выделяется в том или ином случае, чтобы создать наиболее эффективное нагревающее устройство или, наоборот, избежать чрезмерного нагрева.
Единицей количества теплоты является 1 Джоуль (иногда используют другую единицу – калорию). Количество теплоты, выделившееся на проводнике можно рассчитать по следующей формуле:
Где P – мощность, выраженная в Ваттах, t – время, выраженное в секундах, Q – количество тепла, выраженное в Джоулях.
Пример.
Пусть обогреватель, имеющий мощность 1000 Ватт, работает в течение 1 часа (в одном часе 3600 секунд). Вычислим, сколько тепла выделится на этом обогревателе. Подставив имеющиеся данные в вышеприведённую формулу, получим: Q = Pt =1000*3600=3600000 Джоулей или 3,6 МегаДжоуля (МДж).
Можно вычислить на сколько градусов повысится температура воды в электрочайнике, имеющего нагревательный элемент определённой мощности и включённого в течение определённого времени.
Число градусов Цельсия, на которое повысится температура вещества, выражается по следующей формуле:
где С – теплоёмкость. Для воды С=4200 Дж/кг*градус. m – масса вещества в килограммах.
Пример . Пусть электрочайник имеет мощность 2000 Ватт. В него налито 2 литра (2 кг) воды. Вычислим на сколько градусов Цельсия поднимется температура воды в чайнике, если он будет включён в течении 5 минут (300 секунд).
Решение. За 5 минут (300 секунд) нагревательный элемент выделит количество теплоты, равное Q = Pt =2000*300=600000 Дж. Это тепло передано двум литрам воды, следовательно, повышение температуры воды составит:
∆ T = Q mC = 600 000 2 ∙ 4200 =71 градус Цельсия
Итак, нам известна формула для расчета количества теплоты:
где P – мощность. Нам также известна формула для расчёта мощности:
где I –ток, U – напряжение. По закону Ома U = IR , где R – сопротивление, поэтому
Следовательно, формулу для расчёта количества теплоты можно записать следующим образом:
Таким образом, зная, какой ток течёт через проводник, сопротивление проводника и время, в течение которого протекал ток, можно вычислить количество теплоты, выделившееся на проводнике.
Тепловая мощность Решение
ШАГ 0: Сводка предварительного расчета
ШАГ 1. Преобразование входов в базовый блок
Расход пара: 30 Килограмм / секунда —> 30 Килограмм / секунда Конверсия не требуется
Удельная теплоемкость: 4.184 Килоджоуль на килограмм на K —> 4184 Джоуль на килограмм на K (Проверьте преобразование здесь)
Разница температур: 29 Кельвин —> 29 Кельвин Конверсия не требуется
ШАГ 2: Оцените формулу
ШАГ 3: Преобразуйте результат в единицу вывода
3640080 Ватт —> Конверсия не требуется