Мощность тепловых потерь: Расчет мощности тепловых потерь. Определение тепловой мощности систем отопления

Ошибка: 404 — Беринговское городское поселение

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом. Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом. Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом. Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом. Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом. Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом. Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен.

Произвольный текст, который дает понять посетителю сайта, какую информацию данный блок содержит и чем будет полезен. Данную область можно редактировать через систему управления сайтом.

Россети Урал — ОАО “МРСК Урала”

Согласие на обработку персональных данных

В соответствии с требованиями Федерального Закона от 27.07.2006 №152-ФЗ «О персональных данных» принимаю решение о предоставлении моих персональных данных и даю согласие на их обработку свободно, своей волей и в своем интересе.

Наименование и адрес оператора, получающего согласие субъекта на обработку его персональных данных:

ОАО «МРСК Урала», 620026, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 140 Телефон: 8-800-2200-220.

Цель обработки персональных данных:

Обеспечение выполнения уставной деятельности «МРСК Урала».

Перечень персональных данных, на обработку которых дается согласие субъекта персональных данных:

• — фамилия, имя, отчество;
• — место работы и должность;
• — электронная почта;
• — адрес;
• — номер контактного телефона.

Перечень действий с персональными данными, на совершение которых дается согласие:

Любое действие (операция) или совокупность действий (операций) с персональными данными, включая сбор, запись, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передачу, обезличивание, блокирование, удаление, уничтожение.

Персональные данные в ОАО «МРСК Урала» могут обрабатываться как на бумажных носителях, так и в электронном виде только в информационной системе персональных данных ОАО «МРСК Урала» согласно требованиям Положения о порядке обработки персональных данных контрагентов в ОАО «МРСК Урала», с которым я ознакомлен(а).

Согласие на обработку персональных данных вступает в силу со дня передачи мною в ОАО «МРСК Урала» моих персональных данных.

Согласие на обработку персональных данных может быть отозвано мной в письменной форме. В случае отзыва согласия на обработку персональных данных.

ОАО «МРСК Урала» вправе продолжить обработку персональных данных при наличии оснований, предусмотренных в п. 2-11 ч. 1 ст. 6 Федерального Закона от 27.07.2006 №152-ФЗ «О персональных данных».

Срок хранения моих персональных данных – 5 лет.

В случае отсутствия согласия субъекта персональных данных на обработку и хранение своих персональных данных ОАО «МРСК Урала» не имеет возможности принятия к рассмотрению заявлений (заявок).

Расчет мощности газового котла для дома | Статьи

При организации системы отопления перед собственником жилья возникает резонный вопрос, как рассчитать мощность газового котла. Производительность оборудования имеет немаловажное значение для домовладельца, поскольку именно от нее зависит комфортность проживания в помещении. Если выбрать слишком маленькую мощность, агрегат не сможет хорошо обогреть необходимую площадь. При больших показателях устройство будет качественно отапливать комнаты, но потребует дополнительных затрат на обогрев. Поэтому хозяину следует ответственно подойти к выбору отопительного прибора и правильно сделать расчеты его параметров.

Почему важно правильно определить мощность котла?

Грамотный подбор мощности позволяет не просто сэкономить на газе, но и увеличить КПД агрегата. Если тепловая отдача превышает реальные потребности в тепле, котел будет работать неэффективно, а его детали станут поддаваться износу. При покупке маломощного устройства хозяину придется столкнуться с часто выключающейся горелкой, которая станет быстро подогревать малые объемы воды. Как результат, в отопительной системе начнет скапливаться конденсат. Он приведет к образованию кислот, которые «проедят» внутреннюю поверхность дымохода, а затем возьмутся и за элементы отопительного прибора.

Часто домовладельцы, которые не знают, как рассчитать газовый котел, покупают оборудование с автоматическими системами, выполняющими самостоятельную регулировку расхода топлива. На первый взгляд, это удобно, но если агрегат работает на пределе производительности, можно столкнуться со следующими проблемами:

●        сбой в работе автоматики;

●        снижение эффективности горелки;

●        уменьшение срока эксплуатации отопительного прибора;

●        выход из строя отдельных узлов и деталей.

Чтобы избежать неприятностей, нужно покупать аппарат должной производительности, которая подходит для конкретного помещения. При необходимости вы можете обратиться к сотрудникам «Мособлгаз», которые вычислят требуемые параметры оборудования и помогут подобрать модель с учетом площади дома. В нашем интернет-магазине представлен обширный ассортимент надежных и качественных котлов, поэтому вы легко найдете подходящие варианты.

Учет тепловых потерь

Рассматривая, какая нужна мощность для газового котла, многие потребители ошибочно полагают, что она зависит только от размеров дома. Иными словами, достаточно вычислить этот параметр путем умножения 1 киловатта на 10 кв. метров площади. В действительности эти расчеты не совсем верны, поскольку не учитывают теплопотери. Тепло может уходить из дверей, через щели в оконных проемах, стены и потолочные поверхности, поэтому основная задача отопительного оборудования – компенсировать недостаток утраченного тепла и создать комфортную температуру.

На тепловые потери влияют такие факторы:

●        местоположение здания с учетом климата местности;

●        общая площадь обогреваемого помещения;

●        местоположение в отношении сторон света;

●        тип, размер стеклопакетов, дверных проемов;

●        тепловое сопротивление отделочных материалов;

●        вентиляция.

Полный расчет теплопотерь требует использования нескольких десятков формул, что затруднительно для обычного потребителя. Поэтому выясняя, какая нужна мощность для газового котла, достаточно ограничиться максимальными потерями тепла с коэффициентом 1,5. Такой параметр обычно имеют простые деревянные окна без стеклопакетов, двери из дерева без тамбура и стены в один кирпич или выполненные из бетона. Если же помещение хорошо утеплено, оборудовано стеклопакетами и двойными дверьми, для неучтенных потерь целесообразно использовать коэффициент 1,15.

Как рассчитать мощность газового котла: основные формулы

Чтобы произвести правильные расчеты, предварительно следует определить начальную мощность прибора. Предположим, отапливаемое помещение имеет площадь 150 кв. метров. В этой ситуации формула для подсчета производительности будет выглядеть так:

1 кВт х 150 кв. м / 10 кв. м = 15 кВт

Данный подсчет предполагает, что потолки в здании имеют высоту около 2,5 метров. Однако многие современные дома строятся по индивидуальному проекту, поэтому предлагаемая формула для них не совсем подходит. Чтобы точнее подсчитать производительность, необходимо вычислить правочный коэффициент, поделив конкретную высоту на принятые 2,5 метра. Например, как рассчитать газовый котел в этом случае:

1. Предположим, что потолок имеет высоту 3,1 м.
2. Делим этот показатель на 2,5 м и получаем правочный коэффициент 1,24.
3. Вычисляем производительность для постройки на 150 кв. метров с высотой 3,1 м: 15 кВт х 1,24 = 18,6 кВт.

Последним этапом вычислений будет определение мощности с учетом теплопотерь. Если мы берем за основу коэффициент 1,15 (для хорошо утепленного дома), то производительность отопительного прибора составит:

18,6 кВт х 1,15 = 21,39 кВт

Чтобы наверняка не замерзнуть, лучше выбирать агрегат с параметром в большую сторону – на 22 кВт. Однако нужно учитывать, что данные расчеты подходят только для одноконтурной модели, которая работает на обогрев помещения. Если планируется покупка оборудования с двумя контурами, к полученным цифрам необходимо добавить еще около 25 %:

21,39 кВт + 25 % = 26,72 кВт (или 27 киловатт с округлением)

Многие производители понимают, что далеко не каждый потребитель знает, как правильно рассчитать мощность газового котла. Поэтому для расчетов параметров оборудования предлагаются специальные калькуляторы, которые можно использовать в онлайн режиме. Независимо от способа вычисления, грамотно подобранные характеристики отопительного прибора позволят пользователю купить оптимальное для его дома устройство и существенно сэкономить на обогреве жилья.

4.5. Мощность тока. Закон Джоуля

Рассмотрим
произвольный участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено
напряжение U. За время t через каждое сечение проводника
проходит заряд .
Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t
из одного конца проводника в другой.

При этом силы электростатического поля и сторонние силы, действующие
на данном участке, совершают работу .
Разделив работу на время t, за которое она совершается, получим
мощность, развиваемую током на рассматриваемом участке .

Эта мощность может расходоваться на совершение работы над внешними телами;
на протекание химических реакций; на нагревание данного участка цепи
и др.

В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем
не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии
проводника, в результате чего проводник нагревается. Принято говорить,
что при протекании тока в проводнике выделяется тепло

                                          (4.1)      

Это соотношение называется законом Джоуля — Ленца. Оно было
экспериментально установлено английским физиком Д. П. Джоулем и подтверждено
точными опытами Э. Х. Ленца.

Если сила тока изменяется со временем, то количество теплоты, выделяющееся
в проводнике за время t, вычисляется по формуле

.

От формулы (4.1), можно перейти к выражению, характеризующему выделение
тепла в различных точках проводника. Выделим в проводнике элементарный
объем в виде цилиндра. Согласно закону Джоуля — Ленца, за время dt,
в этом объеме выделится количество теплоты

,

где — dV элементарный объем. Разделив это выражение на dV
и dt, найдем количество теплоты, выделяющееся в единице объема
в единицу времени:

.

Величину
называют удельной тепловой мощностью тока. Эта формула представляет собой
дифференциальную форму закона Джоуля — Ленца.

Вопросы

1) В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока
2) Напишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Количество теплоты и тепловая мощность. Расчет в Excel.

Опубликовано 13 Окт 2013
Рубрика: Теплотехника | 106 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

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.

Расчет в Excel прикладной задачи.

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 h20: 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 h22: =H7*H5*(h20-H9)/1000= 171330

Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем

в объединенной ячейке D13E13F13G13h23: =СУММ(D12:h22) = 256900

В ячейках D14, E14, F14, G14, h24,  и объединенной ячейке D15E15F15G15h25 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 h26: =h22/(H8*60)= 47,592

Суммарная тепловая мощность необходимая для выполнения всех процессов за время t рассчитывается

в объединенной ячейке D17E17F17G17h27: =D13/(D8*60) = 71,361

В ячейках D18, E18, F18, G18, h28,  и объединенной ячейке D19E19F19G19h29 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.

Для получения информации о выходе новых статей и для скачивания рабочих файлов программ прошу вас подписаться на анонсы в окне, расположенном в конце статьи или в окне вверху страницы.

После ввода адреса своей электронной почты и нажатия на кнопку «Получать анонсы статей» НЕ ЗАБУДЬТЕ ПОДТВЕРДИТЬ ПОДПИСКУ кликом по ссылке в письме, которое тут же придет к вам на указанную почту (иногда — в папку «Спам»)!

Мы вспомнили понятия «количество теплоты» и «тепловая мощность», рассмотрели фундаментальные формулы теплопередачи, разобрали практический пример. Надеюсь, что мой язык был прост, понятен и интересен.

Жду вопросы и комментарии на статью!

Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.

Ссылка на скачивание файла: raschet-teplovoy-moshchnosti (xls 19,5KB).

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Потери энергии — Energy Education

Рисунок 1. Потери энергии в лампе накаливания очень велики; большая часть входящей энергии теряется в виде тепловой энергии. ^[1]

Когда энергия преобразуется из одной формы в другую, или перемещается из одного места в другое, или из одной системы в другую, происходит потерь энергии . Это означает, что когда энергия преобразуется в другую форму, часть входящей энергии превращается в сильно неупорядоченную форму энергии, такую ​​как тепло.Функционально превратить всю входящую энергию в выходную практически невозможно, если только не превращать энергию намеренно в тепло (как в обогревателе). Кроме того, всякий раз, когда электрическая энергия транспортируется по линиям электропередач, энергия в линиях электропередач всегда больше, чем энергия, выходящая на другом конце. Потери энергии — это то, что мешает процессам когда-либо быть эффективными на 100%.

Виды потерь энергии

Энергия претерпевает множество преобразований и принимает множество различных форм в процессе движения.Каждое преобразование, которое он претерпевает, связано с некоторой «потерей» энергии. Хотя эта энергия на самом деле не исчезает, некоторое количество начальной энергии превращается в формы, которые нельзя использовать или которые мы не хотим использовать. ^[2] Вот некоторые примеры таких потерь:

В целом цель состоит в том, чтобы уменьшить количество потерянной энергии для повышения эффективности. Также неупругие столкновения относятся к столкновениям, при которых происходит некоторая «потеря» энергии во время столкновения. ^[3]

Для получения дополнительной информации о неупругих столкновениях см. HyperPhysics.

Потери энергии при использовании электроэнергии

Использование электроэнергии — хороший пример, иллюстрирующий потери энергии в системе. К тому времени, когда энергия, связанная с электроэнергией, достигает пользователя, она принимает множество форм. Первоначально процесс начинается с создания электричества каким-либо методом. Например, при сжигании угля на электростанции химическая энергия, хранящаяся в угле, высвобождается при сжигании, создавая тепло, которое производит пар. Отсюда пар приводит в движение турбины, а механическая энергия заставляет генератор производить электричество.Типичная угольная электростанция имеет КПД около 38%, ^[2] , поэтому ~ 1/3 начального содержания энергии в топливе преобразуется в пригодную для использования форму энергии, а остальная часть теряется. Дальнейшие потери возникают при транспортировке этой электроэнергии. По оценкам EIA, при передаче и распределении электроэнергии в Соединенных Штатах в этих процессах теряется около 6% электроэнергии. ^[4] Наконец-то электричество достигло своего пункта назначения. Это электричество может достигнуть лампы накаливания, в которой тонкий провод нагревается до тех пор, пока он не загорится, при этом значительное количество энергии теряется в виде тепла, как показано на рисунке 1.Полученный свет содержит только около 2% энергии угля, используемого для его производства. ^[2] Переход на лампочки CFL может улучшить это примерно в 4 раза, но это потребляет только до 8% от начальной химической энергии угля.

Топливо имеет огромное энергосодержание, но на самом деле очень мало энергии оказывается полезной, а большая часть теряется. Эти потери энергии приводят к чрезвычайно неэффективным процессам, некоторые из них возникают из-за фундаментальных ограничений, таких как второй закон термодинамики, но некоторые предоставляют возможности для улучшения инженерии.

Потери энергии в транспортных средствах

Также имеются значительные потери энергии в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. Химическая энергия бензина (или дизельного топлива), которая исходит от Солнца, поскольку это ископаемое топливо, затем преобразуется в тепловую энергию, которая воздействует на поршни двигателя. Затем механическая энергия передается колесам, что увеличивает кинетическую энергию автомобиля. Часть этой кинетической энергии теряется на звук двигателя, свет от сгорания и тепловую энергию из-за трения между дорогой и шинами.Современные автомобили могут использовать только около 20% энергии топлива в качестве энергии, остальное теряется. ^[2] Пример этих потерь энергии показан на рисунке 2. Хотя эффективность можно повысить, ее можно повысить только до некоторой степени из-за принципов термодинамики.

Рисунок 2. Потери энергии в бензиновом автомобиле. ^[5]

Холостой ход, использование таких аксессуаров, как кондиционеры, и аэродинамическое сопротивление могут еще больше увеличить потери в транспортном средстве. ^[6]

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Минимизация потерь энергии при передаче электроэнергии

Экономия энергии
Сегодня мы все больше осознаем необходимость более эффективного использования невозобновляемых источников энергии.Традиционные электростанции, работающие на ископаемом топливе, имеют КПД менее 40%. Другими словами, более 60% энергии топлива теряется в виде тепла в окружающую среду. Комбинируя централизованное теплоснабжение с производством электроэнергии, можно достичь эффективности от 60% до 80%.

Прежде чем мы сможем его использовать, электричество должно быть доставлено конечным пользователям. Это делается через системы передачи и распределения. Металлические проводники, такие как медь и алюминий, переносят электрический ток в наши дома и на работу.Однако некоторая часть энергии теряется по пути в виде тепла, потому что даже самые лучшие проводники имеют некоторое электрическое сопротивление.

Эти потери были сокращены примерно с 13% в 1960 году до примерно 7,5% в 2016 году. Можем ли мы сократить эти потери еще больше?

Немного фона
В письме от 20 марта 1800 г. Алессандро Вольта (1745–1827) описал строительство батареи. Он продемонстрировал свое изобретение в Париже, и новости об устройстве быстро распространились. Впервые можно было генерировать непрерывный электрический ток, и ученые Европы и Америки начали экспериментировать с собственными версиями батареи.

Вскоре они обнаружили два эффекта электрического тока:

• эффект нагрева и
• химический эффект.

В том же году (1800) Николсон и Карлайл разложили воду на водород и кислород — процесс, известный как электролиз. Около 1808 года Хамфри Дэви с помощью электролиза открыл несколько новых элементов: калий, натрий, барий, кальций и магний. Несколько удивительно, что магнитный эффект электрического тока не был открыт до 1820 года.

Хотя эффект нагрева электрическим током более очевиден, он не изучался подробно до 1840-х годов. Частично причиной этого было довольно плохое понимание в то время концепций тепла и энергии — концепций, которые сегодня мы принимаем как должное.

Закон Джоуля
Джеймс Джоуль (1818–1889) провел большую часть своей жизни, изучая эти две концепции. В 1840 году он заменил паровые двигатели на своей пивоварне на недавно разработанные электродвигатели. Он начал изучать потери тепла от проводников.Даже самые лучшие проводники (серебро и медь) обладают некоторым сопротивлением электрическому току и могут сильно нагреваться, если по ним проходит большой электрический ток.

В 1841 году Джоуль обнаружил, что скорость потери тепла проводником пропорциональна его сопротивлению, умноженному на квадрат электрического тока. Сегодня мы выражаем это соотношение математически следующим образом: P = R x I ² , где P — мощность (то есть энергия, произведенная в единицу времени), R — сопротивление, а I — электрический ток.Это было важное открытие.

Терминология: понятие коэффициента тепловых потерь и различных уровней мощности в …

Контекст 1

… эффективность является центральным вопросом как в политике, так и в академических исследованиях. Европейский Союз поставил перед собой цель значительно сократить годовое потребление первичной энергии и выбросы парниковых газов к 2020 году (Директива 2009/28 / EC). Законодательство, поддерживающее это развитие, было широко принято на национальном уровне.Кроме того, объем регулирования, связанного с энергоэффективностью, постоянно растет. Ряд исследований был проведен в отношении энергопотребления строительного фонда (Balaras et al. 2005; Balaras et al. 2007; Dascalaki et al. 2011; Howard et al. 2007; Magalhães and Leal 2014; Mata et al. 2013). ; Томмеруп и Свендсен 2006). В скандинавском климате, например в Финляндии, пик потребления энергии приходится на зиму, когда потребление тепловой энергии находится на пике. Хотя самые высокие пики мощности появляются зимой, пики — это не только явление самого холодного времени года.Энергопотребление меняется в зависимости от времени каждый день в течение года. На мощность и энергопотребление зданий влияют различные факторы, такие как погода, физические характеристики здания, системы HVAC и их настройки, автоматизация здания и поведение пользователей (Zhao and Magoulès 2012). Мощность как распределительной сети, так и инфраструктуры производства электроэнергии рассчитывается на основе расчетных максимальных значений энергопотребления. Таким образом, инвестиционные затраты на системы распределения и производства энергии зависят от ожидаемых будущих пиков.Например, в Финляндии есть резервные электростанции, находящиеся в резерве на случай исключительного спроса на электроэнергию. Эти электростанции имеют низкий годовой коэффициент использования. Дополнительное топливо, используемое во время пиков спроса на электроэнергию, состоит в основном из ископаемых источников. Таким образом, если бы потребности зданий в электроэнергии могли регулироваться более успешно, потребность в дополнительных резервных электростанциях была бы меньше, что, возможно, привело бы как к экономическим, так и к экологическим выгодам. Чтобы лучше управлять использованием энергии, были теоретические обсуждения — а в настоящее время даже практические применения — так называемого реагирования на спрос, при котором регулируется время потребления энергии.Потребление энергии регулируется с помощью сигналов, основанных на преобладающих условиях за пределами места потребления энергии (Jota et al. 2011). В ответ на спрос, по крайней мере, часть потребления энергии рассчитывается по времени на основе индикатора ситуации спроса, такого как использование почасовой цены на энергию на энергетических рынках или текущей частоты электроэнергии в качестве входного сигнала. Ответ на запрос может быть автоматическим или ручным. Его также можно использовать для выравнивания различий в потребляемой мощности как в пиках, так и в промежутках, а также для помощи в настройке энергетических систем.Потребители энергии могут участвовать в снижении пиков энергосистем за счет сокращения их потребления. Это можно сделать, например, изменив время использования энергии или изменив источник энергии (Albadi and El-Saadany 2008). При изучении энергоэффективности основное внимание в строительном секторе часто уделяется общему потреблению энергии в течение исследуемого периода времени, например, одного года. Действующие строительные нормы и правила определяют ежегодную оценку потребления энергии в зданиях.Например, при расчете E-value цель проверки при расчетах энергии для получения разрешений на строительство или энергетических сертификатов в настоящее время указывается как годовое потребление энергии. Однако с точки зрения всей энергосистемы важно не только общее годовое потребление энергии, но и каждый случай потребления. Ситуация может меняться. В Директиве об энергоэффективности зданий (2012/27 / EU) управление энергопотреблением и его реакция на спрос рассматриваются как часть энергоэффективности.Такой образ мышления прогрессирует в сторону национального законодательства стран-членов ЕС. Мы разработали модель для оценки скорости потери тепла в жилом фонде с целью предсказать количество и источники потенциального отклика спроса в различных ситуациях. Под коэффициентом потерь тепла мы понимаем тепловую мощность, необходимую для компенсации потерь тепла через стены, крышу, пол и вентиляцию в зданиях (рис. 1). Этот метод представлен и продемонстрирован в этой статье. Исследования энергоснабжения зданий могут выполняться на разных уровнях.Для лучшего понимания концепции «скорости потери тепла» три из этих уровней описаны на очень упрощенном рисунке 1. Основную шкалу на уровне здания можно рассматривать как покупную мощность, количество энергии, которое владелец здания покупает у коммунального предприятия. Покупная мощность включает в себя мощность, необходимую для отопления, и электроэнергию, используемую для других операций. Следующий уровень энергетических исследований — производство тепловой энергии. Это можно считать исследованиями на системном уровне. Потребность в тепловой энергии покрывается за счет использования тепловых нагрузок в зданиях, а также тепловой энергии от систем отопления.Однако всегда есть потери из-за неэффективности систем отопления и распределения тепла. Потребляемая тепловая мощность используется для компенсации потерь тепла, вызванных разницей между температурой снаружи и внутри помещения, а также необходимостью в теплой воде. Как указано в обзоре Zhaos & Magoulès, методы прогнозирования энергопотребления здания включают инженерные методы, статистические методы, нейронные сети, вспомогательные векторные машины и серые модели (Zhaos & Magoulès 2012). Подход этого исследования представляет собой восходящий метод инженерного моделирования, аналогичный подходу Mattinen et al.(2014), где в качестве входных данных использовались характеристики зданий и погодные данные, но не принималось во внимание поведение пользователей. Причина этого в том, что скорость потери тепла зависит только от физических характеристик ограждающей конструкции и вентиляции. Хорошо известно, что погодные параметры, используемые в этих типах моделей, являются одними из наиболее важных факторов при анализе энергопотребления и энергопотребления зданий (Bhandari et al. 2012; Fumo 2014). В нашей разработанной модели используемые погодные данные могут быть выбраны произвольно.Для анализа жилой фонд был разделен на разные категории зданий, аналогичные тем, которые используются Статистическим управлением Финляндии (см. Рисунок 2). В пределах типов зданий данные далее делятся на разные годы поперечного сечения (в пятилетних возрастных группах) для описания физических атрибутов зданий разных эпох. Это дает возможность использовать официальные данные о строительном инвентаре. Следует отметить, что в статистику не включены жилые дома для отдыха, отдельные бани, принадлежащие жилым домам или зданиям Вооруженных сил.В модели коэффициент теплопотерь рассчитывается с учетом теплопроводности зданий разных типов и лет поперечного сечения, разницы между наружной и внутренней температурами, а также объема фонда. Теплопроводность рассчитывается с использованием коэффициентов теплопередачи (U-значений), конкретных площадей различных структурных элементов (A), а также технических характеристик вентиляции. В качестве примера ниже представлен метод расчета теплопроводности окон (уравнение…

Контекст 2

… эффективность является центральным вопросом как в политике, так и в академических исследованиях. Европейский Союз поставил перед собой цель значительно сократить годовое потребление первичной энергии и выбросы парниковых газов к 2020 году (Директива 2009/28 / EC). Законодательство, поддерживающее это развитие, было широко принято на национальном уровне. Кроме того, объем регулирования, связанного с энергоэффективностью, постоянно растет. Был проведен ряд исследований энергопотребления строительного фонда (Balaras et al.2005; Баларас и др. 2007; Даскалаки и др. 2011; Ховард и др. 2007; Magalhães и Leal 2014; Mata et al. 2013; Томмеруп и Свендсен 2006). В скандинавском климате, например в Финляндии, пик потребления энергии приходится на зиму, когда потребление тепловой энергии находится на пике. Хотя самые высокие пики мощности появляются зимой, пики — это не только явление самого холодного времени года. Энергопотребление меняется в зависимости от времени каждый день в течение года. На мощность и энергопотребление зданий влияют различные факторы, такие как погода, физические характеристики здания, системы HVAC и их настройки, автоматизация здания и поведение пользователей (Zhao and Magoulès 2012).Мощность как распределительной сети, так и инфраструктуры производства электроэнергии рассчитывается на основе расчетных максимальных значений энергопотребления. Таким образом, инвестиционные затраты на системы распределения и производства энергии зависят от ожидаемых будущих пиков. Например, в Финляндии есть резервные электростанции, находящиеся в резерве на случай исключительного спроса на электроэнергию. Эти электростанции имеют низкий годовой коэффициент использования. Дополнительное топливо, используемое во время пиков спроса на электроэнергию, состоит в основном из ископаемых источников.Таким образом, если бы потребности зданий в электроэнергии могли регулироваться более успешно, потребность в дополнительных резервных электростанциях была бы меньше, что, возможно, привело бы как к экономическим, так и к экологическим выгодам. Чтобы лучше управлять использованием энергии, были теоретические обсуждения — а в настоящее время даже практические применения — так называемого реагирования на спрос, при котором регулируется время потребления энергии. Потребление энергии регулируется с помощью сигналов, основанных на преобладающих условиях за пределами места потребления энергии (Jota et al.2011). В ответ на спрос, по крайней мере, часть потребления энергии рассчитывается по времени на основе индикатора ситуации спроса, такого как использование почасовой цены на энергию на энергетических рынках или текущей частоты электроэнергии в качестве входного сигнала. Ответ на запрос может быть автоматическим или ручным. Его также можно использовать для выравнивания различий в потребляемой мощности как в пиках, так и в промежутках, а также для помощи в настройке энергетических систем. Потребители энергии могут участвовать в снижении пиков энергосистем за счет сокращения их потребления.Это можно сделать, например, изменив время использования энергии или изменив источник энергии (Albadi and El-Saadany 2008). При изучении энергоэффективности основное внимание в строительном секторе часто уделяется общему потреблению энергии в течение исследуемого периода времени, например, одного года. Действующие строительные нормы и правила определяют ежегодную оценку потребления энергии в зданиях. Например, при расчете E-value цель проверки при расчетах энергии для получения разрешений на строительство или энергетических сертификатов в настоящее время указывается как годовое потребление энергии.Однако с точки зрения всей энергосистемы важно не только общее годовое потребление энергии, но и каждый случай потребления. Ситуация может меняться. В Директиве об энергоэффективности зданий (2012/27 / EU) управление энергопотреблением и его реакция на спрос рассматриваются как часть энергоэффективности. Такой образ мышления прогрессирует в сторону национального законодательства стран-членов ЕС. Мы разработали модель для оценки скорости потери тепла в жилом фонде с целью предсказать количество и источники потенциального отклика спроса в различных ситуациях.Под коэффициентом потерь тепла мы понимаем тепловую мощность, необходимую для компенсации потерь тепла через стены, крышу, пол и вентиляцию в зданиях (рис. 1). Этот метод представлен и продемонстрирован в этой статье. Исследования энергоснабжения зданий могут выполняться на разных уровнях. Для лучшего понимания концепции «скорости потери тепла» три из этих уровней описаны на очень упрощенном рисунке 1. Основную шкалу на уровне здания можно рассматривать как покупную мощность, количество энергии, которое владелец здания покупает у коммунального предприятия.Покупная мощность включает в себя мощность, необходимую для отопления, и электроэнергию, используемую для других операций. Следующий уровень энергетических исследований — производство тепловой энергии. Это можно считать исследованиями на системном уровне. Потребность в тепловой энергии покрывается за счет использования тепловых нагрузок в зданиях, а также тепловой энергии от систем отопления. Однако всегда есть потери из-за неэффективности систем отопления и распределения тепла. Потребляемая тепловая мощность используется для компенсации потерь тепла, вызванных разницей между температурой снаружи и внутри помещения, а также необходимостью в теплой воде.Как указано в обзоре Zhaos & Magoulès, методы прогнозирования энергопотребления здания включают инженерные методы, статистические методы, нейронные сети, вспомогательные векторные машины и серые модели (Zhaos & Magoulès 2012). Подход этого исследования представляет собой восходящий метод инженерного моделирования, аналогичный подходу Mattinen et al. (2014), где в качестве входных данных использовались характеристики зданий и погодные данные, но не принималось во внимание поведение пользователей. Причина этого в том, что скорость потери тепла зависит только от физических характеристик ограждающей конструкции и вентиляции.Хорошо известно, что погодные параметры, используемые в этих типах моделей, являются одними из наиболее важных факторов при анализе энергопотребления и энергопотребления зданий (Bhandari et al. 2012; Fumo 2014). В нашей разработанной модели используемые погодные данные могут быть выбраны произвольно. Для анализа жилой фонд был разделен на разные категории зданий, аналогичные тем, которые используются Статистическим управлением Финляндии (см. Рисунок 2). В пределах типов зданий данные далее делятся на разные годы поперечного сечения (в пятилетних возрастных группах) для описания физических атрибутов зданий разных эпох.Это дает возможность использовать официальные данные о строительном инвентаре. Следует отметить, что в статистику не включены жилые дома для отдыха, отдельные бани, принадлежащие жилым домам или зданиям Вооруженных сил. В модели коэффициент теплопотерь рассчитывается с учетом теплопроводности зданий разных типов и лет поперечного сечения, разницы между наружной и внутренней температурами, а также объема фонда. Теплопроводность рассчитывается с использованием коэффициентов теплопередачи (U-значений), конкретных площадей различных структурных элементов (A), а также технических характеристик вентиляции.В качестве примера ниже представлен метод расчета теплопроводности окон (уравнение …

Контекст 3

… реализация приведенной выше формулы для каждой части оболочки здания (кроме цокольного этажа) , результаты суммируются, чтобы найти общую теплопроводность (C) ограждающей конструкции и вентиляции (уравнение 2). (2) Эти этапы расчета выполняются для всех типов зданий и для разных лет поперечного сечения. Степень теплопотерь может быть рассчитывается в любое время (t) с использованием теплопроводности (C all), объема заготовки (V stock) и разницы между внешней и внутренней температурой (ǻ T) (уравнение 3).(3) Коэффициент теплопотерь через фундаментный этаж (потери тепла P, пол) необходимо рассчитывать отдельно, потому что разница температур между грунтом под зданием и внутри помещения не равна разнице температур в других частях оболочки здания. Под зданием температура намного стабильнее. Это несоответствие было учтено при расчете теплопередачи через фундаментный этаж по методу, описанному в стандарте SFS-EN ISO 13370 «Тепловые характеристики зданий.Передача тепла через землю. Расчетные методы »(2008 г.). Объектом исследования данного исследования является финский фонд жилых и служебных зданий (рис. 1). Финский фонд жилых и служебных зданий — один из самых молодых в Европе. Примерно 70% фонда было построено в период с 1970 по 2010 год. Среднее расположение зданий в Финляндии — это самая северная из стран Европейского Союза. 63% фонда (м 3) составляют жилые дома, из которых дома на одну семью составляют самый большой компонент с долей 34…

Контекст 4

… разработали модель для оценки скорости тепловых потерь в строительном фонде с целью прогнозирования количества и источников потенциальной реакции спроса в различных ситуациях. Под коэффициентом потерь тепла мы понимаем тепловую мощность, необходимую для компенсации потерь тепла через стены, крышу, пол и вентиляцию в зданиях (рис. 1). Этот метод представлен и продемонстрирован в этой статье. Исследования энергоснабжения зданий могут выполняться на разных уровнях.Для лучшего понимания концепции «скорости потери тепла» три из этих уровней описаны на очень упрощенном рисунке 1. Основную шкалу на уровне здания можно считать приобретенной …

The Physics Classroom Tutorial

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Три основных метода теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице.Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери. Мы прилагаем все усилия, чтобы уменьшить эти потери тепла, улучшая изоляцию стен и чердаков, конопатая окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери.В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива . Метод включает в себя выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электричество . Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимальными потерями.Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости . После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При кондукции тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается. Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола с водой низкой температуры.Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.

На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды. Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный.Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью. Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю. Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах.Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.

Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой. Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70 ° C, а холодная вода имеет температуру 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. Когда горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается.По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю. В заключение, скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями зависит от разницы температур между двумя местоположениями.

Материал

Первая переменная, которую мы определили как влияющую на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя местами.Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В предыдущем описанном сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой. Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло было передано от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой.Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал.Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами. В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.

Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, тепло обычно передается за счет теплопроводности со значительно большей скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, вкрапленными между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности.Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, материал, используемый в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаках как неплотно заполненный целлюлозный утеплитель . Он также применяется в качестве войлока из стекловолокна (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло.Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Больше тепла будет потеряно из дома через большую крышу, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, которая влияет на скорость теплопередачи, является расстояние, на которое тепло должно проводиться. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Нам говорят, что перед выходом на улицу нужно одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разность температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T ₁ на улицу с температурой T ₂ . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно

.

Ставка = k • A • (T ₁ — T ₂ ) / d

Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Он применяется к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стенки банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.

Пример проблемы

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте рассчитаем скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1.2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома составляет 21 ° C, а температура снаружи дома -4 ° C.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.

Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м ² .

Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.

Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м ² ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла.Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна представляют собой двух- и трехкамерные окна со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы выйти из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике посвящен значению температуры и тепла. Особое внимание было уделено развитию модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к Уроку 2. Глава станет немного более математической, поскольку мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею? Урок 2 будет относиться к калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.

а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).

г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.

3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина увеличится до 16 см.Определите коэффициент теплопередачи через эту площадь 2,16 м ² .

Требования к тепловой энергии

Целью любого нагревательного устройства является повышение или поддержание температуры твердого, жидкого или газообразного вещества до или на уровне, подходящем для конкретного процесса или применения. Большинство систем отопления можно разделить на две основные ситуации; приложения, требующие поддержания постоянной температуры, и приложения или процессы, требующие нагрева рабочего продукта до различных температур.Принципы и процедуры расчета аналогичны для любой ситуации.

Приложения с постоянной температурой

Большинство применений с постоянной температурой — это особые случаи, когда температура твердого тела, жидкости или газа поддерживается на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Расчетные коэффициенты и расчеты основаны на установившемся режиме при фиксированной разнице температур. Потери тепла и потребности в энергии оцениваются с использованием условий «наихудшего случая».

По этой причине определить потребность в тепловой энергии для применения с постоянной температурой относительно просто. Комфортный обогрев (постоянная температура воздуха) и защита трубопроводов от замерзания являются типичными примерами приложений с постоянной температурой. Уравнения и процедуры для расчета потребности в тепле для нескольких приложений обсуждаются далее в этом разделе.

Приложения с переменной температурой

Приложения с переменной температурой (технологические процессы) обычно включают последовательность запуска и имеют множество рабочих переменных.Общая потребность в тепловой энергии для технологических процессов определяется как сумма этих расчетных переменных. В результате расчет тепловой энергии обычно более сложен, чем для приложений с постоянной температурой. Переменные:

Общая поглощенная тепловая энергия — Сумма всей тепловой энергии, поглощенной во время запуска или работы, включая рабочий продукт, скрытую теплоту плавления (или испарения), материалы, контейнеры и оборудование.

Общие потери тепловой энергии — Сумма потерь тепловой энергии в результате теплопроводности, конвекции, излучения, вентиляции и испарения во время запуска или работы.

Расчетный коэффициент безопасности — коэффициент для компенсации неизвестных факторов в процессе или применении.

Технологические приложения

Выбор и определение размеров установленного оборудования в технологическом процессе основывается на большем из двух рассчитанных требований к тепловой энергии.В большинстве технологических процессов параметры запуска и эксплуатации представляют собой два совершенно разных состояния одного и того же процесса. Тепловая энергия, необходимая для запуска, обычно значительно отличается от энергии, необходимой для рабочих условий. Чтобы точно оценить требования к теплу для приложения, необходимо оценить каждое условие. Сравнительные значения определены следующим образом:

• Расчетная тепловая энергия, необходимая для запуска процесса в течение определенного периода времени.
• Расчетная тепловая энергия, необходимая для поддержания температуры процесса и рабочих условий в течение определенного времени цикла.

Определение поглощенной тепловой энергии

Первым шагом в определении общей потребности в тепловой энергии является определение поглощенной тепловой энергии. Если изменение состояния происходит как прямая или косвенная часть процесса, тепловая энергия, необходимая для изменения состояния, должна быть включена в расчеты.Это правило применяется независимо от того, происходит ли изменение во время запуска или позже, когда материал находится при рабочей температуре. Факторы, которые следует учитывать при расчетах поглощения тепла, показаны ниже:

Требования к запуску (начальный нагрев)

• Тепло, поглощаемое при запуске:
  • Рабочие продукты и материалы
  • Оборудование (цистерны, стеллажи и др.)
• Скрытое поглощение тепла при запуске или во время запуска:
  • Теплота плавления
  • Теплота испарения
• Фактор времени

Рабочие требования (процесс)

• Тепло, поглощаемое во время работы:
  • Рабочий продукт в процессе
  • Оборудование погрузочное (ремни, стойки и др.))
  • Макияжные материалы
• Скрытое поглощение тепла при работе:
  • Теплота плавления
  • Теплота испарения
• Коэффициент времени (или цикла), если применимо

Определение потерь тепловой энергии

Объекты или материалы, температура которых превышает температуру окружающей среды, теряют тепловую энергию за счет теплопроводности, конвекции и излучения.Жидкие поверхности, контактирующие с атмосферой, теряют тепловую энергию за счет испарения. При расчете общей потребности в тепловой энергии необходимо учитывать эти потери и обеспечивать достаточное количество энергии для их компенсации. Тепловые потери оцениваются как для условий запуска, так и для условий эксплуатации и добавляются в соответствующий расчет. Тепловые потери при запуске — Первоначально тепловые потери при запуске равны нулю, поскольку все материалы и оборудование находятся при температуре окружающей среды. Тепловые потери увеличиваются до максимума при рабочей температуре.Следовательно, потери тепла при запуске обычно основываются на среднем значении потерь при запуске и потерь при рабочей температуре. Потери тепла при рабочей температуре — тепловые потери максимальны при рабочей температуре. Тепловые потери при рабочей температуре принимаются за полную стоимость и добавляются к общей потребности в энергии.

Оценка коэффициентов тепловых потерь

Обсуждаемые теплопотери можно оценить, используя коэффициенты из диаграмм и графиков, представленных в этом разделе.Общие потери включают излучение, конвекцию и теплопроводность от различных поверхностей и выражаются в ваттах в час на единицу площади поверхности на градус температуры (Вт / час / фут ² / ° F).

Примечание — Поскольку значения в таблицах уже выражены в ваттах в час, на них не влияет фактор времени «t» в уравнениях тепловой энергии.

Расчетные факторы безопасности

Во многих системах отопления фактические условия эксплуатации, тепловые потери и другие факторы, влияющие на процесс, можно только оценить.В большинстве расчетов рекомендуется использовать коэффициент запаса прочности, чтобы компенсировать такие неизвестные факторы, как вентиляционный воздух, теплоизоляция, запасные материалы и колебания напряжения. Например, колебание (или падение) напряжения на 5% приводит к изменению выходной мощности нагревателя на 10%.

Коэффициенты безопасности варьируются от 10 до 25% в зависимости от уровня уверенности проектировщика в оценке неизвестных. Коэффициент запаса прочности применяется к сумме рассчитанных значений поглощенной и потерянной тепловой энергии.

Общая потребность в тепловой энергии

Общая тепловая энергия (Q _T ), необходимая для конкретного применения, является суммой ряда переменных. Основное уравнение полной энергии:

Q _T = Q _M + Q _L + коэффициент безопасности

Где:

• Q _T = Общая требуемая энергия в киловаттах
• Q _M = Общая энергия в киловаттах, поглощенная рабочим продуктом, включая скрытую теплоту, вспомогательные материалы, емкости и оборудование
• Q _L = Общая энергия в киловаттах, теряемая поверхностями из-за теплопроводности, конвекции, излучения, вентиляции и испарения
• Коэффициент безопасности = от 10% до 25%

Хотя Q _T традиционно выражается в британских тепловых единицах (BTU), при использовании электрических нагревателей удобнее использовать ватты или киловатты.В этом случае выбор оборудования может основываться непосредственно на номинальной мощности нагревателя. Уравнения и примеры в этом разделе преобразованы в ватты.

Основные уравнения тепловой энергии

Следующие уравнения описывают вычисления, необходимые для определения переменных в приведенном выше уравнении полной энергии. Уравнения 1 и 2 используются для определения тепловой энергии, поглощаемой рабочим продуктом и оборудованием. Удельная теплоемкость и скрытая теплота различных материалов указаны в этом разделе в таблицах свойств неметаллических твердых тел, металлов, жидкостей, воздуха и газов.Уравнения 3 и 4 используются для определения потерь тепловой энергии. Потери тепловой энергии с поверхностей можно оценить, используя значения из кривых в таблицах G-114S, G-125S, G-126S или G-128S. Потери проводимости рассчитываются с использованием коэффициента теплопроводности или коэффициента «k», указанного в таблицах свойств материалов.

Уравнение 1 — Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры материалов (без изменения состояния)

Поглощенная тепловая энергия определяется по весу материалов, удельной теплоемкости и изменению температуры.Некоторые материалы, такие как свинец, имеют разную удельную температуру в разных состояниях. Когда происходит изменение состояния, для этих материалов требуются два расчета: один для твердого материала и один для жидкости после того, как твердое тело расплавится.

Где:

• Q _A = кВтч, необходимый для повышения температуры
• Lbs = Вес материала в фунтах
• C _p = Удельная теплоемкость материала (БТЕ / фунт / ° F)
• Δ T = изменение температуры в ° F [ T _{2 (окончание)} — T _{1 (начало)} ]

Уравнение 2 — Тепловая энергия, необходимая для изменения состояния материалов

Поглощенная тепловая энергия определяется на основе веса материалов и скрытой теплоты плавления или испарения.

Где:

• Q _F = кВтч, необходимый для преобразования материала из твердого в жидкое
• Q _v = кВтч, необходимый для преобразования материала из жидкости в пар или газ
• Lbs = Вес материала в фунтах
• H _fus = Теплота плавления (БТЕ / фунт / ° F)
• H _vap = Теплота испарения (БТЕ / фунт / ° F)

Уравнение 3 — Тепловая энергия, теряемая с поверхностей

Тепловая энергия, теряемая поверхностями из-за излучения, конвекции и испарения, определяется по площади поверхности и скорости потерь в ваттах на квадратный фут в час.

Где:

• Q _LS = кВтч, потерянное с поверхностей из-за излучения, конвекции и испарения
• A = Площадь поверхностей в квадратных футах
• L _S = Коэффициент потерь в ваттах на квадратный фут при конечной температуре (Вт / фут ² / час по графикам)

Уравнение 4 — Тепловая энергия, теряемая из-за проводимости через материалы или изоляцию

Тепловая энергия, теряемая за счет теплопроводности, определяется площадью поверхности, теплопроводностью материала, толщиной и разницей температур в материале.

Где:

• Q _LC = кВтч, потерянное из-за теплопроводности
• A = Площадь поверхностей в квадратных футах
• k = теплопроводность материала в британских тепловых единицах / дюйм / квадратный фут / час (британских тепловых единиц / дюйм / фут ² / час)
• Δ T = Разница температур в ° F по материалу [T2 — T1]
• d = Толщина материала в дюймах

Обобщение требований к энергии

Уравнения 5a и 5b используются для суммирования результатов всех других уравнений, описанных на этой странице.Эти два уравнения определяют общую потребность в энергии для двух условий процесса: запуска и эксплуатации.

Уравнение 5a — Тепловая энергия, необходимая для запуска

Где:

• Q _T = Общая требуемая энергия в киловаттах
• Q _A = кВтч, необходимый для повышения температуры
• Q _F = кВтч, необходимый для преобразования материала из твердого в жидкое
• Q _V = кВтч, необходимый для преобразования материала из жидкости в пар или газ
• Q _LS = кВтч, потерянное с поверхностей из-за излучения, конвекции и испарения
• Q _LC = кВтч, потерянное из-за теплопроводности
• SF = коэффициент безопасности (в процентах)
• t = Время запуска в часах ²

Уравнение 5b — Тепловая энергия, необходимая для поддержания работы или процесса ³

Где:

• Q _T = Общая требуемая энергия в киловаттах
• Q _A = кВтч, необходимый для повышения температуры добавляемого материала
• Q _F = кВтч, необходимый для изменения добавленного материала с твердого на жидкое
• Q _V = кВтч, необходимый для преобразования добавляемого материала из жидкости в пар или газ
• Q _LS = кВтч, потерянное с поверхностей из-за излучения, конвекции и испарения
• Q _LC = кВтч, потерянное из-за теплопроводности
• SF = коэффициент безопасности (в процентах)

Определение размеров и выбор оборудования

Размер и номинальные характеристики установленного нагревательного оборудования основаны на большем из результатов расчетов по уравнениям 5a или 5b.

Банкноты —

Коэффициенты потерь из таблиц в этом разделе включают потери от излучения, конвекции и испарения, если не указано иное.

Время ( t ) учитывается в уравнении запуска, поскольку запуск процесса может варьироваться от минут или часов до дней.

Требования к эксплуатации обычно основаны на стандартном периоде времени в один час ( t = 1). Если продолжительность цикла и потребность в тепловой энергии не совпадают с часовыми интервалами, их следует пересчитать на почасовую основу.

Тепловые потери в фотоэлектрических модулях

Рабочая температура фотоэлектрического модуля представляет собой равновесие между теплом, генерируемым фотоэлектрическим модулем, и теплопотери в окружающую среду. Существует три основных механизма потери тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

Температура модуля определяется равновесием между теплом, выделяемым в фотоэлектрическом модуле солнцем, и теплопроводностью, конвекцией и потерями тепла от модуля.

Теплопроводность

Кондуктивные потери тепла возникают из-за температурных градиентов между фотоэлектрическим модулем и другими материалами (включая окружающий воздух), с которыми фотоэлектрический модуль находится в контакте. Способность фотоэлектрического модуля передавать тепло окружающей среде характеризуется тепловым сопротивлением и конфигурацией материалов, используемых для герметизации солнечных элементов.

Кондуктивный тепловой поток аналогичен проводящему току в электрической цепи. В кондуктивном тепловом потоке разность температур является движущей силой, стоящей за кондуктивным потоком тепла в материале с заданным тепловым сопротивлением, в то время как в электрической цепи разность напряжений вызывает протекание тока в материале с определенным электрическим сопротивлением.Следовательно, взаимосвязь между температурой и теплом (то есть мощностью) задается уравнением, аналогичным уравнению, связывающему напряжение и ток на резисторе. Предполагая, что материал однороден и находится в устойчивом состоянии, уравнение между теплопередачей и температурой имеет вид:

где:
P _heat — тепло (мощность), вырабатываемое фотоэлектрическим модулем, описанным в разделе «Выработка тепла в фотоэлектрических модулях»;
Φ — тепловое сопротивление излучающей поверхности, ° C W ^-1 ; и
ΔT — разница температур между двумя материалами в ° C.

Термическое сопротивление модуля зависит от толщины материала и его удельного теплового сопротивления (или проводимости). Термическое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению, а уравнение теплового сопротивления:

.

где:
A — площадь теплопроводящей поверхности;
l — длина материала, через который должно проходить тепло; и
k — коэффициент теплопроводности в Вт · м ^-1 ° C ^-1 .

Чтобы определить тепловое сопротивление более сложной конструкции, отдельные тепловые сопротивления могут быть добавлены последовательно или параллельно.Например, поскольку и передняя, ​​и задняя поверхности отводят тепло от модуля к окружающей среде, эти два механизма работают параллельно друг другу, а тепловое сопротивление передней и задней части накапливается параллельно. В качестве альтернативы, в модуле тепловое сопротивление герметика и лобового стекла добавлялось бы последовательно. Выше показана диаграмма теплового сопротивления простого фотоэлектрического модуля без учета проводимости рам и окантовки.

Конвекция

Конвективная теплопередача возникает в результате переноса тепла от поверхности в результате движения одного материала по поверхности другого.В фотоэлектрических модулях конвективная теплопередача происходит из-за ветра, дующего через поверхность модуля. Тепло, передаваемое этим процессом, определяется уравнением:

, где:
A — площадь контакта двух материалов;
ч — коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт · м ^-2 ° C ^-1 ; и
ΔT — разница температур между двумя материалами в ° C.

В отличие от теплового сопротивления, h сложно вычислить напрямую и часто является экспериментально определяемым параметром для конкретной системы и условий.

Радиация

Последний способ, которым фотоэлектрический модуль может передавать тепло в окружающую среду, — это излучение. Как обсуждалось на странице «Излучение черного тела», любой объект будет излучать излучение в зависимости от его температуры. Плотность мощности, излучаемой черным телом, определяется уравнением:

где:
P — мощность, вырабатываемая фотоэлектрическим модулем в виде тепла;
σ — постоянная Стефана-Больцмана, указанная на странице Константы; а
Тл — температура солнечного элемента в К.

Однако фотоэлектрический модуль не является идеальным черным телом, и для учета неидеальных черных тел уравнение черного тела модифицируется путем включения параметра, называемого излучательной способностью, ε материала или объекта. Черное тело, которое является идеальным излучателем (и поглотителем) энергии, имеет коэффициент излучения 1. Коэффициент излучения объекта часто можно измерить по его поглощающим свойствам, поскольку они часто очень похожи. Например, металлы, которые имеют тенденцию к пониженному поглощению, также имеют более низкий коэффициент излучения, обычно в диапазоне 0.03. Включение коэффициента излучения в уравнение для плотности мощности излучения от поверхности дает:

где:
ε — коэффициент излучения поверхности; и
остальные параметры такие же, как указано выше.

Чистое тепло или мощность, потерянная модулем из-за излучения, представляет собой разницу между теплом, излучаемым из окружающей среды в модуль, и теплом, излучаемым из фотоэлектрического модуля в окружающую среду, или в математическом формате:

где:
T _sc — температура солнечного элемента;
T _amb — температура окружающей среды вокруг солнечного элемента; и
остальные параметры такие же, как указано выше.

Снижение потерь мощности из-за нагрева проводов

Снижение количества потерь мощности в виде тепла в проводах

На предыдущей странице мы видели, что перевод серьезных сумм
отключения электрического провода на 230 В приведет к
в проводе теряется невероятное количество тепла. Что можно сделать с
помощь?

Мощность, потерянная в электрическом проводе, регулируется
уравнение Мощность = Текущий квадрат в квадрате x сопротивление. Итак, чтобы уменьшить мощность
потерь, нам просто нужно уменьшить либо ток, либо сопротивление.К
уменьшать
сопротивление провода, нам нужно сделать его больше. Там будет больше
металл для проведения тока, поэтому сопротивление будет ниже.
К сожалению, вскоре у нас получился огромный провод, который
быть ужасно дорогим.

Лучшее решение — уменьшить ток. Это
преимущество
что если мы сможем уменьшить ток в десять раз, мы уменьшим
потеря мощности в сто раз! (Помните, потери мощности в проводах равны
к текущему в квадрате
раз сопротивление.)

Как уменьшить ток и при этом передать ту же мощность?

Просто увеличьте напряжение. Помните, мощность = напряжение x ток. Если мы
увеличиваем напряжение в 10 раз, ток уменьшаем в 10 раз,
и это снижает потери мощности в проводе в 100 раз.

Итак, давайте вернемся в наш маленький город, используя мощность 23 МВт. Если мы
пытался передать эту мощность в город по проводам 230 вольт с помощью
сопротивление 1 Ом, он бы имел
потребовалось 100 000 ампер тока, что привело к потере мощности 10 000 МВт.Однако что, если бы мы использовали высоковольтную линию электропередачи на 132 000
вольт? (132 кВ) Это снизит требуемый ток до 174 ампер.
Передача этого по проводу с сопротивлением 1 Ом приведет к
всего 0,03 МВт энергии, теряемой в виде тепла. Чтобы обеспечить наш город 23 МВт, мы
придется отправить 23,03 МВт по линии электропередачи.

Чем длиннее провод, тем выше будет его сопротивление. Если
кусок
провода имеет сопротивление 1 Ом, то отрезок провода вдвое длиннее
будет иметь удвоенное сопротивление, т.е.е. 2 Ом. Это означает, что дольше
провода теряют больше мощности из-за сопротивления, поэтому чем дальше вы передаете
мощность, тем больше вы теряете в виде тепла.

Ясно, что вы были бы безумны, пытаясь послать электричество на длительный срок.
расстояние при низком напряжении. Вы должны использовать достаточно высокое напряжение, чтобы уменьшить
потери мощности до приемлемого уровня, и именно это и происходит в
реальная жизнь.

Но как изменить напряжение? Как я сказал ранее, два способа
генерирующие электроэнергию бывают постоянного или постоянного тока, а переменные
ток или переменный ток.