О тепловой энергии простым языком!

Опубликовано 13 Окт 2013
Рубрика: Теплотехника | 28 комментариев



Передача тепловой энергии от огня чайникуЧеловечеству 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.

Зависимость температуры от количества подведенной теплоты

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 Q2Q1.

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:

mмасса вещества в кг

судельная теплоемкость вещества в Дж/(кг*К)

1.2. При плавлении (замерзании):

Q=m*λ

λудельная теплота плавления и кристаллизации вещества в Дж/кг

1.3. При кипении, испарении (конденсации):

Q=m*r

rудельная 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

qудельная теплота сгорания топлива в Дж/кг

2.2. При превращении электроэнергии в тепловую энергию (закон Джоуля — Ленца):

Q=t*I*U=t*I*R^2=t*U^2/R

tвремя в с

Iдействующее значение тока в А

Uдействующее значение напряжения в В

Rсопротивление 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 H10: 18

Думаю, вопросов по п.7 и п.8 быть недолжно.

Программа расчета тепловой энергии и тепловой мощности в Excel

Результаты расчетов:

9. Количество теплоты Q в КДж, необходимое для каждого из процессов рассчитываем

для нагрева стали в ячейке D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000=75900

для нагрева льда в ячейке E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000= 1561

для плавления льда в ячейке F12: =F7*F6/1000= 6600

для нагрева воды в ячейке G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000= 1508

для нагрева воздуха в ячейке H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000= 171330

Общее количество необходимой для всех процессов тепловой энергии считываем

в объединенной ячейке D13E13F13G13H13: =СУММ(D12:H12) = 256900

В ячейках D14, E14, F14, G14, H14,  и объединенной ячейке D15E15F15G15H15 количество теплоты приведено в дугой единице измерения – в ГКал (в гигакалориях).

10. Тепловая мощность N в КВт, необходимая для каждого из процессов рассчитывается

для нагрева стали в ячейке D16: =D12/(D8*60)=21,083

для нагрева льда в ячейке E16: =E12/(E8*60)= 2,686

для плавления льда в ячейке F16: =F12/(F8*60)= 2,686

для нагрева воды в ячейке G16: =G12/(G8*60)= 2,686

для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60)= 47,592

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

в объединенной ячейке D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361

В ячейках D18, E18, F18, G18, H18,  и объединенной ячейке D19E19F19G19H19 тепловая мощность приведена в дугой единице измерения – в Гкал/час.

На этом расчет в Excel завершен.

Выводы:

Обратите внимание, что для нагрева воздуха необходимо более чем в два раза больше затратить энергии, чем для нагрева такой же массы стали.

При нагреве воды затраты энергии в два раза больше, чем при нагреве льда. Процесс плавления многократно больше потребляет энергии, чем процесс нагрева (при небольшой разности температур).

Нагрев воды в десять раз затрачивает больше тепловой энергии, чем нагрев стали и в четыре раза больше, чем нагрев воздуха.

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


Введите Ваш e-mail:

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

28 комментариев на «О тепловой энергии простым языком!»

  1. Тамара 10 Ноя 2013 06:57

    Очень понравилась статья. У меня часто возникают вопросы по количеству теплоэнергии на отопление квартиры. Даже самой приходилось разбираться по справочникам. У меня получилось на 25% меньше, чем забито в нормы. В них включили верхний предел отрицательных температур для региона. Вы бы еще написали о пропан-бутане. 21 кг, это сколько кбм газа?

    Я искала в интернете, точного расчета не нашла, примерно — 1 кбм. = ~ 0.7 кг.

  2. Александр Воробьев 10 Ноя 2013 11:43

    Спасибо за отзыв.

    Газ имеет различный объем при разном давлении. Поэтому 1кг газа будет занимать при разном давлении разный объем. Баллон имеет неизменный объем, по мере расхода газа уменьшается его масса и падает давление, а объем не меняется.Удельная теплота сгорания пропан-бутана — 45МДж/кг. При сгорании всего газа из баллона можно получить тепловой энергии (без учета КПД печи и остатка в баллоне): Q=21кг*45МДж/кг=945МДж=0,226ГКал.

  3. Олег 25 Дек 2013 17:26

    Спасибо!

  4. Вячеслав 14 Янв 2014 15:42

    Статья интересная, напоминает советского издания, брошюры из серии «Библиотечка КВАНТ»

  5. михаил 25 Сен 2014 22:44

    спасибо

  6. михаил 26 Сен 2014 07:38

    Спасибо за материал Мне интересен пиролизный котел для воздушного отопления В вашей статье лишний раз убедился что легче нагреть воздух в помещении , нежели идти к этому через затраты на нагрев воды, металла, и затем воздуха Но вот вопрос об использовании перегретой воды или пара пропускаемого через медные трубки радиаторов и съем тепла с них с помощью вентилятора меня заставляет задуматься о эффективности , нет скорее вопрос о сравнении эффективности двух процессов отопления Казалось бы , нагрел литр, два воды до 120 градусов (тосол) Запустил в радиатор от авто, подключил насос , включил вентилятор принудительно и кажется небольшой объем воды перегретой может заменить собой пару батарей по эффективности. Практически нет возможности проверить а просчитать знаний не хватает Из статьи понимаю что эффективней при обогреве, но наличие таких обогревателей (GAGA-GAGA Италия) не дает уверенности в выборе метода обогрева Строю производственное помещение Отходы древесина , поэтому к пиролизнику с воздушным отоплением присматриваюсь Уже и чертежи в формате компаса купил

  7. Александр Воробьев 27 Сен 2014 12:52

    Михаил, я думаю, Вы что-то не правильно понимаете... В конечном счете Вам ведь нужно нагреть воздух в помещении! Для этого необходимо определенное количество энергии в единицу времени — мощность! И все!!! Не важно как вы его будете греть!!! Нет никаких пустых затрат на нагрев воды, металла... Есть КПД котлов, стоимость топлива и стоимость постройки и эксплуатации системы отопления!

    Прочитайте внимательно вот здесь.

  8. Алексей 30 Апр 2015 13:15

    Спасибо. Статья помогла при выборе мощности инфракрасных обогревателей

  9. Михаил 05 мая 2015 19:34

    Однако весьма и весьма полезная статья.

    Спасибо

    Файл в EXCEL просто подарок!

  10. Шухрат 23 Июл 2015 11:25

    мы занимаемся фореловодством...проблема в том что температура воды немного ниже оптимальных параметров...

    можете ли сказать как нужно рассчитать количество воздуха напрмер 30 гр для прогрева воды с 10 гр до 16 гр цельселя.

    позволяет ли вышеизложенная таблица рассчитать данные параметры расхода.

  11. Александр Воробьев 23 Июл 2015 15:42

    Шухрат, что бы ответить на Ваш вопрос необходимо знать дополнительно: массу нагреваемой воды, теплопотери здания в окружающее пространство (в грунт и воздух), климатический район, мощность действующей системы отопления, систему вентиляции, инсоляцию... Короче, Вам нужно найти и привезти на объект грамотного и опытного проектировщика-теплотехника...

    Если не учитывать вышесказанное и предположить, что все тепло от воздуха будет передано воде и «изолированная от мира» система «воздух (+30) — вода (+10)» придет в равновесие при +16 градусах, то для определения расхода воздуха достаточно указать дополнительно массу воды, объем воздуха в здании и время за которое это должно произойти.

  12. Олег 24 Сен 2015 16:53

    Спасибо огромное! Столько времени сэкономил благодаря вашей табличке!

  13. Александр 06 Окт 2015 20:23

    Александр, здравствуйте! Приятно смотреть на Ваши труды — огромное спасибо, что делитесь своими знаниями.

    У меня к Вам есть вопрос по расчетам тепловой мощности: если брать ячейку G14, в ней энергия 0,0004Гкал/час. Я правильно понимаю, чтобы нагреть воду от 0 до 18град. нужно потратить 9,4мин?

    Вот мне необходимо рассчитать для проекта нагрузку для нагрева в водоводяном теплообменнике 5м3/час воды для ГВС. Греющая вода — сетевая Т1/Т2 с температурным графиком 90/70. Могу ли я рассчитать необходимую нагрузку для нагрева этого количества воды, ну и далее для подбора диаметров труб для греющей воды до теплооменника в Вашем калькуляторе? Как это сделать? Спасибо!

  14. Александр Воробьев 06 Окт 2015 21:09

    Чтобы нагреть 20 кг воды от 0 до 18 градусов нужно затратить 0,0004 ГКал энергии. Чтобы сделать это за 9,4 минуты необходима мощность 2,686 КВт или 0,0023 ГКал/час.

    Пишите:

    5000 кг — в G7

    60 минут — в G8

    температуры — G9 и G10.

    Считываете результаты в G12, G14, G16, G18.

    Далее определяете расход греющей воды обратным расчетом, и по расходу и мощности подбираете теплообменник.

    Если Вы проектируете теплообменник, то с помощью моей таблицы можно лишь определить его мощность. Теплообменники бывают самых разнообразных конструкций, и расчет их различен и индивидуален.

  15. Сергей 13 Окт 2015 15:44

    Добрый день. Простите, наверно я туповат для разбора Вашей таблицы. Помогите пожалуйста, есть прикладной вопрос: На производстве имеется неутилизируемый (пока) остаточный пар. Характеристики: t-140 гр.С Р- 3кг/см.кв. Вопрос — до какой температуры можно нагреть емкость с водой 10м.куб. со стартовой температурой 10гр.С прямым впрыском пара за один час? Насколько увеличится общий объем жидкости? Помогите пожалуйста с расчетами. С уважением, Сергей.

  16. Алексей 23 Окт 2015 15:48

    Добрый день! Скажите пожалуйста, а что имеется в виду под временем процесса в строке 8? Что оно характеризует? Это получается, что за час нагревается воздух в помещении до нужной температуры и потом на протяжении оставшихся 23 часов поддерживается?

    А что такое 60 в этой записи? «для нагрева воздуха в ячейке H12: =H12/(H8*60)= 47,592»

    Большое спасибо!

  17. Александр Воробьев 24 Окт 2015 13:03

    Чтобы нагреть сталь, лед, растопить лед, нагреть воду и воздух в количествах указанных в примере (в кг) необходимо энергии 256900 КДж.

    Если требуется это сделать за 1 час (60 минут), то мощность источника тепловой энергии должна быть 71,361 КВт.

    Если за 10 часов — мощность может быть в 10 раз меньше — 7,136 КВт.

    Теплопотери здания в расчетах не участвуют!!! Это не расчет отопления помещения!!! Все нагреваемые объекты как бы изолированы от окружающей среды. Источник тепловой энергии в примере включается на 1 час, все нагревает и выключается. Поддерживать нечего, теплопотерь нет. (Они, конечно есть, но их компенсировать задача, например, постоянно работающего другого источника — системы отопления помещения.)

    «А что такое 60 в этой записи? «для нагрева воздуха в ячейке H12: =H12/(H8*60)= 47,592»»

    В тексте опечатка! Должно быть:

    «для нагрева воздуха в ячейке H16: =H12/(H8*60)= 47,592». Я ее поправил.

    60 в этой записи — это перевод времени из ячейки H8, где оно в минутах — в секунды. (Система СИ: килограмм, метр, секунда.)

  18. Алексей 26 Окт 2015 13:57

    Большое спасибо! А если нам все же нужно рассчитать сколько гигакаллорий уходит вообще на отопление, как учесть то, о чем Вы говорили? Как посчитать постоянно работающий другой источник? Получается, что если помещение отапливается 24 часа в сутки, то нельзя просто взять как время 24 часа (вместо 1 часа у Вас в примере)?

  19. Александр Воробьев 26 Окт 2015 19:25

    Возможно, Вы найдете ответ на свой вопрос, посмотрев внимательно это:

    al-vo.ru/teplotekhnika/si... -otopleniya.html

    Также рекомендую полистать все статьи рубрики ТЕПЛОТЕХНИКА этого блога.

    В рассмотренном в статье примере смоделирована ситуация, когда в отапливаемом помещении открываются настеж ворота, ВЕСЬ теплый воздух замещается воздухом с улицы и завозится холодный металл. Решается задача определения мощности источника тепла для возвращения нормальных климатических условий в помещении за 1 час!

    Вы можете написать в ячейку D8 1440 минут (24 часа) и увидите, что энергии для нагрева указанных в расчете веществ вам понадобится столько же — 256900 КДж. Но так как греть до нужной температуры вы их собираетесь 24 часа, то мощности источника достаточно 2,973 КВт! При этом не учитываются теплопотери здания!!! Все тепло от источника направлено на решение задачи нагрева воздуха, стали и воды, а не окружающей среды.

  20. Борис Кузнецов 17 Янв 2016 18:03

    Здравствуйте Александр!

    Прочитал статью «О себе», то есть о Вас и у меня вопрос к Вам. Где и кем Вы работаете в настоящее время?

    (wltt-teplotehnika.ru)

  21. Александр Воробьев 17 Янв 2016 18:29

    Ответ отправлен на почтовый ящик.

  22. Александр 18 Янв 2016 02:29

    Огромное , человеческое спасибо за Ваш труд. Спасибо!!!!!!

  23. Vladimir 27 Фев 2016 15:50

    Спасибо Вам огромное, Александр. Жаль не могу назвать по отчеству, а за такую работу и отношение к нуждающимся, хочется и надо бы.

  24. Татьяна 19 Апр 2016 14:47

    Очень полезная и интересная статья! Спасибо за Ваш труд! У меня возник вопрос по теме, только вот никак не могу ответить на него сама. А точнее, сколько понадобится времени чтобы вода закипела, например 1л, в металлической кастрюле, на газовой горелке? в Вашей таблице не получается сосчитать... может есть какая-то другая формула?

  25. Александр Воробьев 23 Апр 2016 12:57

    Ответ на Ваш вопрос есть в статье. Все зависит от мощности горелки, КПД (потерь тепла в окружающее пространство), химического состава газа.

    Посчитайте энергию необходимую для нагрева 1л воды от 20 до 100 градусов и, зная мощность и КПД горелки найдете время...

  26. Чолпон 10 Июн 2016 15:01

    Здраствуйте вы не могли бы отправить таблицу расщет тепловой мощности

    на электронную почту буду очень благодарна

  27. Александр Воробьев 11 Июн 2016 12:03

    Чолпон, в конце статьи — ссылка на скачивание таблицы.

  28. Костенко Игорь 11 Июл 2016 19:24

    Спасибо за Ваш труд!

Ваш отзыв







  • Посетители: 656 202

  • Подписчики: 3 414