Конвективное отопление: Конвективное и лучистое отопление

Есть два вида отопления, различающиеся принципиально. Это конвективное отопление и инфракрасное отопление. А все эти батареи, радиаторы, инфракрасные тёплые полы и прочие обогреватели — всего лишь инструмент, средства для реализации того или иного физического принципа.

Конвективное отопление

Его суть заключается в непосредственном нагреве окружающего воздуха. То есть воздух при таком отоплении сам является теплоносителем, следовательно, для того чтобы передать то количество тепла, необходимое для обогрева помещения, воздух надо существенно нагреть и при чём нагревать его надо ПОСТОЯННО, так как теплоёмкость воздуха крайне мала и остывает он очень быстро. К тому же возникающие при этом конвективные потоки (ведь не спроста такое отопление называется конвективным) стремятся унести самый тёплый и нагретый воздух вверх, а при наличии приточно-вытяжной вентиляции вообще за пределы дома, то есть на улицу. Следовательно, вновь поступивший через приточную вентиляцию свежий уличный воздух надо снова нагревать. Этим и «занимаются» всевозможные батареи центрального отопления, радиаторы и электроконвекторы, тепловые пушки и тепловентиляторы. Воздух, контактируя с небольшой по площади, но довольно сильно нагретой поверхностью нагревательного элемента (спиралевидным ТЭН или поверхностью батареи) так же сильно разогревается. При этом его физические свойства меняются: уменьшается плотность, снижается содержание влаги и кислорода. Под воздействием естественной силы, описанной ещё Архимедом, или принудительно, посредством вентилятора, воздух начинает циркулировать по помещению, перенося с собой большое количество невидимой глазу пыли, так как влаги в таком воздухе мало и сухая пыль легко поднимается в воздух даже от малейшего его движения. Так же при этом происходит расслоение воздуха: нагретый и следовательно менее плотный воздух выталкивается более плотным остывшим воздухом к потолку. Получается, что у человека, находящегося в таком помещении ноги оказываются в холоде, а голова в тёплом воздухе. Но ведь должно быть наоборот!

Инфракрасное отопление

Основополагающий принцип такого отопления заключается в непосредственной передаче тепла от более нагретой поверхности к менее нагретой. Причём, такая передача тепла происходит дистанционно, посредством электромагнитных волн, подобно тому, как распространяется свет от светильника (ведь свет это такая же электромагнитная волна).  Электромагнитные волны инфракрасного спектра такие же естественные и необходимые для всего живого, как и дневной свет, просто их частота ниже красного цвета — нижней границы, видимой человеческим глазом (вспомните расположение цветов в радуге). Поэтому мы их воспринимаем не как свет, а как исходящее от более тёплого, чем мы предмета тепло.

Многолетний опыт применения свидетельствуют о том, что распределённое инфракрасное отопление на потолочных низкотемпературных ПлЭН — это, пожалуй, наиболее комфортное из всех известных и самое экономичное из электрических видов отопления. Ведь прогревая пол и стены, которые имеют большую суммарную теплоёмкость и площадь поверхности, правильно спроектированное и смонтированное отопление на потолочных ПлЭН позволяет дому накапливать тепло внутри себя, что при соответствующей современным требованиям теплозащите ограждающих конструкций даёт ощутимый экономический эффект и высокий тепловой комфорт.

В чем разница между проводимостью, конвекцией и излучением?

Загрузить эту статью в формате PDF

Теплопередача — это физический акт обмена тепловой энергией между двумя системами путем рассеивания тепла. Температура и поток тепла являются основными принципами теплообмена. Количество доступной тепловой энергии определяется температурой, а тепловой поток представляет собой движение тепловой энергии.

В микроскопическом масштабе кинетическая энергия молекул находится в прямой зависимости от тепловой энергии. По мере повышения температуры молекулы увеличивают тепловое возбуждение, проявляющееся в прямолинейном движении и вибрации. Области с более высокой кинетической энергией передают энергию областям с более низкой кинетической энергией. Проще говоря, теплообмен можно разделить на три основные категории: теплопроводность, конвекция и излучение.

На изображении выше, предоставленном НАСА, показано, как все три метода теплопередачи (проводимость, конвекция и излучение) работают в одной и той же среде.

Теплопроводность

Теплопроводность передает тепло посредством прямого молекулярного столкновения. Область с большей кинетической энергией будет передавать тепловую энергию области с меньшей кинетической энергией. Частицы с более высокой скоростью будут сталкиваться с частицами с более низкой скоростью. В результате кинетическая энергия частиц с более низкой скоростью будет увеличиваться. Теплопроводность является наиболее распространенной формой теплопередачи и происходит через физический контакт. Например, прислонить руку к окну или поднести металл к открытому пламени.

Процесс теплопроводности зависит от следующих факторов: температурный градиент, поперечное сечение материала, длина пути перемещения и физические свойства материала. Градиент температуры — это физическая величина, описывающая направление и скорость распространения тепла. Температурный поток всегда будет происходить от самой горячей к самой холодной или, как указывалось ранее, от большей к меньшей кинетической энергии. Как только между двумя разностями температур устанавливается тепловое равновесие, теплопередача прекращается.

Поперечное сечение и путь прохождения играют важную роль в проводимости. Чем больше размер и длина объекта, тем больше энергии требуется для его нагрева. И чем больше площадь открытой поверхности, тем больше тепла теряется. Меньшие объекты с небольшим поперечным сечением имеют минимальные потери тепла.

Физические свойства определяют, какие материалы передают тепло лучше других. В частности, коэффициент теплопроводности диктует, что металлический материал будет проводить тепло лучше, чем ткань, когда речь идет о проводимости. Следующее уравнение вычисляет скорость проводимости:

Q = [k · A · (T _{горячая} – T _{холодная} )]/d

, где Q = тепло, передаваемое в единицу времени; k = теплопроводность барьера; A = площадь теплообмена; T _hot = температура горячей области; T _cold = температура холодного региона; d = толщина барьера.

Современное использование проводимости разрабатывает доктор Гьюнг-Мин Чой из Университета Иллинойса. Доктор Чой использует спиновой ток для создания вращающего момента. Момент передачи спина — это передача углового момента спина, создаваемого электронами проводимости, на намагниченность ферромагнетика. Вместо использования магнитных полей это позволяет манипулировать наномагнитами с помощью спиновых токов. (Предоставлено Алексом Хересом, Imaging Technology Group, Институт Бекмана)

Конвекция

Когда жидкость, такая как воздух или жидкость, нагревается и затем удаляется от источника, она уносит с собой тепловую энергию. Такой вид теплообмена называется конвекцией. Жидкость над горячей поверхностью расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх.

На молекулярном уровне молекулы расширяются при введении тепловой энергии. При увеличении температуры данной массы жидкости объем жидкости должен увеличиваться во столько же раз. Это воздействие на жидкость вызывает смещение. По мере того, как горячий воздух поднимается вверх, он толкает более плотный и холодный воздух вниз. Эта серия событий показывает, как формируются конвекционные потоки. Уравнение для скоростей конвекции рассчитывается следующим образом:

Q = h _c · A · (T _s – T _f )

где Q = тепло, передаваемое в единицу времени; h _c = коэффициент конвективной теплопередачи; A = площадь теплообмена поверхности; T _s = температура поверхности; и T _f = температура жидкости.

Обогреватель — классический пример конвекции. По мере того, как обогреватель нагревает воздух, окружающий его у пола, температура воздуха повышается, он расширяется и поднимается к верхней части комнаты. Это заставляет более холодный воздух опускаться вниз, так что он нагревается, создавая тем самым конвекционный поток.

Излучение

Тепловое излучение возникает в результате излучения электромагнитных волн. Эти волны уносят энергию от излучающего объекта. Излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду (твердую или жидкую). Тепловое излучение является прямым результатом случайных движений атомов и молекул в материи. Движение заряженных протонов и электронов приводит к излучению электромагнитного излучения.

Все материалы излучают тепловую энергию в зависимости от их температуры. Чем горячее объект, тем больше он будет излучать. Солнце является ярким примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему. При нормальной комнатной температуре объекты излучают инфракрасные волны. Температура объекта влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. По мере повышения температуры длины волн в спектрах испускаемого излучения уменьшаются и излучаются более короткие волны с более высокочастотным излучением. Тепловое излучение рассчитывается по закону Стефана-Больцмана:

P = e · σ · A · (T _r ⁴ – T _c ⁴ )

, где P = полезная излучаемая мощность; A = площадь излучения; Tr = температура радиатора; Tc = температура окружающей среды; е = коэффициент излучения; и σ = постоянная Стефана.

Коэффициент излучения идеального радиатора имеет значение 1. Обычные материалы имеют более низкие значения коэффициента излучения. Анодированный алюминий имеет коэффициент излучения 0,9, а медь — 0,04.

Солнечный элемент или фотогальванический элемент, преобразующий энергию света в электричество за счет фотогальванического эффекта. Свет поглощается и переводит электркон в более высокое энергетическое состояние, а электрический потенциал создается разделением зарядов. В последние годы эффективность солнечных батарей возросла. Фактически, те, которые в настоящее время производятся компанией SolarCity, соучредителем которой является Илон Маск, составляют 22%.

Излучательная способность определяется как способность объекта излучать энергию в виде теплового излучения. Это отношение при данной температуре теплового излучения от поверхности к излучению от идеально черной поверхности, определяемое законом Стефана-Больцмана. Постоянная Стефана определяется константами природы. Значение константы следующее:

σ = (2 · π ⁵  · k ⁴ )/(15 · c ²  · h ³ ) = 5,670373 × 8 – 8  ^{м –2  · K –4}

где k = постоянная Больцмана; h = постоянные Планка; c = скорость света в вакууме.

Что такое конвективный теплообмен?

Конвективный теплообмен относится к движению тепловой энергии внутри жидкостей. Конвекция возникает из-за объемного движения молекул внутри жидкости, газа или газожидкостной смеси. Первоначально тепло передается между молекулами посредством теплопроводности, но основной теплообмен осуществляется посредством движения молекул внутри жидкости.

• Конвекция – это процесс обмена тепловой энергией в жидкостях посредством движения вещества внутри них.
• Происходит массовый перенос молекул внутри жидкости.
• Встречается как в газах, так и в жидкостях и приводит к циклическому эффекту.
• Существует как естественная, так и принудительная конвективная теплопередача.

Рассмотрим жидкость, нагретую над нагретой поверхностью. По мере повышения температуры нижних уровней жидкости они становятся менее плотными. Затем нагретый слой поднимается за счет плавучести и заменяется более холодной жидкостью. Затем новый нижний слой нагревается, поднимаясь и заменяя более холодный и плотный верхний слой. Это вызывает циклический эффект конвекции.

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи — это скорость теплового потока между поверхностью и жидкостью. Скорость пропорциональна разнице температур между двумя материалами. Это зависит от физических свойств обоих и не является свойством жидкости. Значение коэффициента теплопередачи зависит от таких переменных, как геометрия поверхности, свойства жидкости, объемная скорость жидкости и характер движения жидкости.

Типы конвективного теплообмена

Существует два типа конвекции: естественная и принудительная.

• Естественная конвекция – Вызывается выталкивающей силой из-за разницы в плотности, связанной с разницей температур. Когда жидкость вступает в контакт с горячей поверхностью или атмосферой, молекулы разделяются и рассеиваются, уменьшая плотность жидкости.
• Принудительная конвекция — это когда жидкость подвергается принудительному течению из внешнего источника, такого как водонагреватель, насос или вентилятор.

Примеры конвективной теплопередачи

В природе существует несколько примеров конвективной теплопередачи. Вынужденная конвекция – это искусственный процесс.

Примеры естественной конвекции:

• Горячий воздух, поднимающийся над огнем
• Таяние льда
• Морской или наземный бриз, вызванный разницей давлений
• Кровообращение у теплокровных животных

Заключение

Конвективный теплообмен — это физический процесс. Он управляет как естественными, так и искусственными системами и имеет важное значение для промышленных приложений.

Инженеры-теплотехники используют различные инструменты для управления конвективным тепловым потоком в приложении или системе. Терморегулирование обычно относится к технологии, предназначенной для увеличения теплопередачи. Теплоизоляция обычно относится к технологии, предназначенной для уменьшения теплопередачи.