Расчет мощности для нагрева воды ТЭНом

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

Для полноценного вычисления расчётной мощности необходимо учесть ряд параметров:

  1. Рабочий ресурс бытовой электросети.
    Проблема «выбивания пробок» особенно актуально стоит в домах вторичного жилфонда. Некоторые жильцы, столкнувшись с ней (например, при установке электрических радиаторов), решали вопрос добавлением отдельного кабеля, усилением проводки. Однако более универсальный рецепт – покупка водонагревателя со средним или низким энергопотреблением (чаще это приборы накопительного типа). Разница между количеством киловатт бытовой электросети и совокупной мощностью всех домашних электроприборов даст значение оптимальной мощности водонагревателя, к которому нужно стремиться.
  2. Соотношение мощности ТЭНа (нагревательного элемента) и объёма бака.
    Параметр, более важный для устройств накопительного типа, в которых вода расходуется постепенно, и критичной становится скорость её остывания. Чтобы 1-киловаттный водонагреватель не покупали со 100-литровыми баками, производители приводят ориентировочную таблицу, где 1-киловаттный прибор предназначен на 15 литров, 1,5 кВт – на 50, 2 кВт – на 50-100, а 5 кВт – на 200-литровый бак.
  3. Скорость водорасхода в минуту.
    Параметр имеет большее значение для проточных водонагревателей. В обиходе мощностные показатели такого нагревательного устройства (с учётом максимальной ресурсозатратности) рассчитываютсяпутём умножения на два количества литров ворорасхода в минуту. То есть, если на проточное мытьё посуды в среднем тратится 4 л/мин., то ТЭН должен быть 8 кВт. Если при приёме душа расходуется 8 л/мин., то необходим 16-киловаттныйТЭН. Вычисления усложняет то, что в квартире используются сразу 2 (а иногда и 3) точки водозабора. В этом случае, рекомендуется в вычислениях получившуюся величину умножать в полтора раза.

Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:

  • Q – размер теплового потока, Вт;
  • F – площадь рабочей поверхности, м2;
  • k – коэффициент передачи тепла;
  • Δt – разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

  • G1 и G2 – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
  • cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит – с другой. Эти величины (t1 вх ;t1 вых и t2 вх ;t2 вых ) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Формула расчета времени нагрева

t = (m ∙ c ∙ ∆ϑ) / (P ∙ η)

t — время нагрева в часах
c = 1,163 (Ватт/час) / (кг ∙ К)
m — количество воды в кг
P — мощность в Вт
η — КПД
∆ϑ — разность температур в К (ϑ1 — ϑ2)
ϑ1 — температура холодной воды в °C
ϑ2 — температура горячей воды в °C


Таблица тепловой мощности, необходимой для различных помещений

(разница температуры внутри помещения и наружной температуры — 30°С)

тепл. мощн., кВт объём помещения при хорошей теплоизоляции (новое здание), м3 объём помещения при плохой теплоизоляции (старое здание), м3 площадь теплицы из теплоизолированного стекла и с двойной фольгой, м2 площадь теплицы из обычного стекла с фольгой, м2
5 70 ÷ 150 60 ÷ 110 35 18
10 150 ÷ 300 130 ÷ 220 70 37
20 320 ÷ 600 240 ÷ 440 140 74
30 650 ÷ 1000 460 ÷ 650 210 110
40 1050 ÷ 1300 650 ÷ 890 300 150
50 1350 ÷ 1600 900 ÷ 1100 370 180
60 1650 ÷ 2000 1150 ÷ 1350 440 220
75 2100 ÷ 2500 1400 ÷ 1650 550 280
100 2600 ÷ 3300 1700 ÷ 2200 740 370
125 3400 ÷ 4100 2300 ÷ 2700 920 460
150 4200 ÷ 5000 2800 ÷ 3300 1100 550
200 5000 ÷ 6500 3400 ÷ 4400 1480 740

Ответ на вопрос : КУДА УХОДИТ ЛЕТО ТЕПЛО?

Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры.

Это энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.

В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.

Нагревание и охлаждение

Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле

Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость — известная, уже вычисленная для всех веществ величина, значение смотреть в физических таблицах.

Теплоемкость вещества С — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.

Плавление и кристаллизация

Плавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.

Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле

Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Парообразование (испарение или кипение) и конденсация

Парообразование — это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.

Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Количество теплоты, которое выделяется при сгорании вещества

Удельная теплота сгорания известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Читайте также  Шторки для беседки

Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса. Алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующим в теплообмене, равна нулю:

Из чего состоит стоимость горячего водоснабжения

В Российской Федерации учет холодного и горячего водоснабжения ведется отдельно. В стоимость ГВС входит стоимость энергии, затрачиваемой на нагрев воды, объем жидкости, цена химических средств, предназначенных для очистки воды и т.д.
При расчетах учитывается стоимость тепловой энергии, затраченная на нагрев холодной воды. В зависимости от региона цена на тепловую энергию может отличаться. Показатель рассчитывают, учитывая несколько факторов:

  1. Расходы на обслуживание и ремонт оборудования, используемого для подогрева воды. Для подачи ГВС необходима работа специализированных котельных. Оборудование требует затрат на обслуживание и ремонт.
  2. Возможные потери тепла при транспортировке горячей воды по трубопроводам.
  3. Цена на услуги по доставке жидкости в помещение.
  4. Тариф на подогрев ГВС в определённом регионе Российской Федерации.

Оплата горячего водоснабжения единым тарифом нецелесообразна. Цену за ГВС разделили на две составляющих – стоимость воды и количество тепла для ее нагрева. При необходимости можно самостоятельно рассчитать плату за услуги.

Источник энергии бойлера.

Выбирая бойлер, обратите внимание на источник питания. Существует 2 варианта.

Электрический бойлер. Его мощность составляет от 1 до 3 кВт, однако есть модели мощностью 6 кВт. Питание такого оборудования может осуществляться от обычной электросети, это дает возможность не прибегать к использованию силовой линии питания. Подробнее о подключении бойлера к электросети.

Наиболее распространенные — это электрические бойлеры:

Газовое оборудование. С помощью газового оборудования можно уменьшить время нагрева. Его мощность составляет от 4 до 6 кВт. Для его использования понадобится дымоход.

Стоит учесть, что монтаж зависит от типа камеры сгорания. Если камера сгорания открыта, то потратится больше средств. Для монтажа устройства с закрытой камерой не потребуется большой расход средств, зато сам агрегат может стоить в полтора раза дороже.

Где лучше разместить теплообменник для бассейна

Теплообменники Kaori серии M для бассейнов — схема подключения

Теплообменник для бассейна устанавливается ниже уровня напорной линии — между фильтром, насосом и дозатором реагентов (хлор и пр.). Подключение контуров выполняется через запорные вентили, это дает возможность контроля включения, а также упрощает демонтаж для сервисного обслуживания. Для стабильной работы циркуляционного насоса, параллельно теплообменнику, перед регулирующим клапаном подключается байпас.

2.Теплообменники

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

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

Тип и особенности конструкции теплообменника

Нагревательный контур в виде пучка тонких трубок, по каждой из которых протекает вода. Большое количество трубок в пучке повышает площадь теплопередачи. Есть конструкции с демонтируемым пучком трубок (повышение ремонтопригодности).

Нагревательный контур в форме спирали

Корпус теплообменника изготавливают из

  1. композитного пластика,
  2. нержавеющей стали,
  3. титана.

Контур нагрева изготавливают из

  1. нержавеющей стали (подходит по соотношению цена/качество для бассейнов с пресной водой),
  2. титана (для бассейнов с морской водой),
  3. никеля,
  4. купроникеля.
Тип теплообменника Особенности конструкции
Достоинства и недостатки теплообменников

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

Монтаж теплообменника

1. Необходимо предусмотреть запорную арматуру до и после теплообменника.
2. Теплообменник устанавливается ниже напорной линии, чтобы не образовывались воздушные подушки.
3. Если теплообменник устанавливается выше зеркала воды, то необходимо сделать так, чтобы послевыключения фильтровальной установки, теплообменник оставался заполненным водой.
4. Если используется теплообменник с магнитнымклапаном на контуре горячей воды, то необходимо
предусмотреть фильтр, так как горячая вода должна быть чистой.
5. Циркуляционный насос теплообменника должен включаться в работу только во время работы
фильтровальной установки. ( Рекомендуем использовать устройства управления
фирмы «Pahlen» или цифровой регулятор температуры).
6. Дозирование химических реагентов должно происходить после теплообменника.
7. Требования к воде: содержание хлоридов не более 150 мг/л, значение РН 7,057,8, содержание
свободного хлора не более 1 мг/л.

3. Солнечные коллекторы (солнечные батареи)

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

Достоинства и недостатки солнечных коллекторов

Расчет мощности электрического нагревателя

Q = Qs2 т.е. мощность электронагревателя равна половине мощности теплообменника.

Расчет количества горячей воды

А потому точный ответ на все эти и многие другие вопросы может дать ответ одна простая универсальная формула:

P = c ∗ m ∗(tнаг – tхол) / T ,

где P – требуемая мощность (Вт) для нагрева данного объема воды на указанную разницу температур,

c – удельная теплоемкость воды, которая при 10°C равна 4192 Дж/(кг °С),

m – масса нагреваемой воды (кг),

tнаг – температура нагретой воды, °C; tхол — температура нагреваемой (холодной) воды, °C;

T – время нагрева (сек.).

Для простоты расчетов допустим, что удельная теплоемкость воды «c» равна приблизительно 4,2 кДж/(кг °С), а масса воды «m» численно равна ее объему «V» в литрах (m = ρ * V, где ρ – плотность воды, которая при 10°C равна 0,99973 кг/л).

Если не указано иное, tхол обычно принимают равным 10°C. Наиболее привычной для многих обывателей единицей измерения протока является литр в минуту, в этих же единицах указываются параметры оборудования в инструкциях большинства производителей импортного, да и отечественного оборудования.

Также производительность того или иного сантехнического прибора можно узнать из его руководства по эксплуатации. Позволим себе небольшое лирическое отступление. Знаете, что самое сложное в расчетах и использовании любых формул, как многоэтажных, так и элементарных? Вовсе не умножение-деление-извлечение корня. Самое сложное и ответственное — это правильно конвертировать исходные данные в те единицы измерения, для которых данная формула составлена. Иначе полученный результат, что вполне ожидаемо, получится весьма далек от реальности.

Поэтому, кстати, и не рекомендуется пользоваться так называемыми «эмпирическими зависимостями». В них нередко с единицами измерения творится полная каша, а потому они не дают полной и реальной картины происходящего процесса, не позволяют гибко учитывать влияние большинства переменных, которые уже жестко входят в состав такой формулы в виде некого безразмерного коэффициента.

Итак, смотрим на нашу универсальную формулу. Единицы измерения в ней, как это и принято в классической физике, указаны в системе СИ. Так, мощность P измеряется в ваттах, поэтому киловатты умножаем на 1000. От всех прочих «кило-» и «мега-» нужно избавляться аналогичным образом. Время измеряется в секундах, а, значит, минуты умножаются на 60, а часы — на 3600. Кстати, умеете переводить кубометры в час в литры в минуту, не пользуясь конвертером величин?

Это элементарно. В одном кубометре 1000 литров, в одном часе 60 минут.

Значит, 1 м³ /1 ч = 1*1000 л/1∗60 мин. = 1000/60 = 16,67 л/мин.

И наоборот: 1 л = 1/1000 = 0,001 м 3 , 1 мин = 1/60 = 0,017 ч,

значит, 1 л/1 мин = 0,001/0,017 = 0,06 м 3 /ч.

Аналогичным образом можно самостоятельно конвертировать абсолютно любые единицы измерения. Теперь попробуем что-нибудь посчитать.

Расчет горячей воды двухконтурного котла.

Например, какой проток горячей воды (температура 45°С) сможет обеспечить двухконтурный 24-кило ваттный котел.

P = 24000 Вт, c = 4200 Дж/(кг °С), tнаг. = 45°С,

tхол = 10°С, T = 1 мин. = 60 сек.

m = ?

Преобразуем формулу, чтобы найти m:

m= P*T/[c*(tнаг – tхол)] = 24000 * 60 / [4200*(45 – 10)] = 9,8 л.

Таким образом, искомая величина протока составляет 9,8 л/мин.

Что это у нас? Это отличный проливной горячий душ (0,12 л/сек по версии СНИП, что равно 7,2 л/мин) плюс еще на умывальник или кухонную мойку останется.А если снизить свои температурные аппетиты до 40°С, то результат составит уже 11,4 л/мин.

Недостатком данной формулы является не учет тепло потерь. Поэтому, если котел расположен слишком далеко от водоразборных точек, величину тепло потерь в трубопроводе водоснабжения необходимо измерить, перевести в ватты и вычесть из первоначальной мощности котла. Отсюда же надо вычесть и тепло потери емкостного водонагревателя, указанные в технических данных производителя.

Разница между проточным и накопительным режимами нагрева

Вычисления, касающиеся емкостного водонагревателя, выполняются аналогичным образом. Принципиальная разница между проточным и накопительным режимами нагрева воды с точки зрения финальной температуры проистекает из сильных и слабых сторон того и другого методов. В проточном режиме главное — скорость и непрерывность подачи воды, поэтому в данном случае вода нагревается ровно до той температуры, которая требуется на выходе из крана, и не градусом выше. Иначе пострадает проток (см. всё ту же формулу ).

Накопительный режим хорош возможностью сохранения некоторого объема уже горячей воды для последующего расхода, а потому греть воду можно, во-первых, с меньшей мощностью (спешить некуда), во-вторых, во время пиковых нагрузок с повышенным водоразбором ,пользоваться заготовленной водой без ограничений по протоку в течение некоторого времени.

Правильный подбор типа системы Г.В.С (проточная или накопительная) должен начинаться не с воспоминаний о том, у кого какая уже установлена, и хватает ли, а с уточнения объемов водопотребления, определения пиковых (максимальных) расходов и их продолжительности.

При продолжительном пиковом расходе (несколько часов) имеет смысл остановиться на проточном варианте, при значительных, но кратковременных пиковых нагрузках (например, однократное наполнение ванны) лучше подойдет накопительный водонагреватель. Внимательно изучив данный материал, вы с легкостью сможете подбирать водонагревательную емкость для любых систем, основываясь лишь на данных о расходе воды. Причем нередко оказывается, что требуется водонагреватель гораздо меньших размеров, чем, кажется на первый взгляд.

Выводы

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата – основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменника. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Добавить комментарий

Adblock
detector